分析建筑剪力墙结构的优化设计

【摘 要】本文分析了剪力墙结构的特点和结构布置原则，同时对剪力墙结构的设计和计算中应注意的问题谈了自己的见解。

【关键词】高层建筑；剪力墙；结构设计；优化

前言

随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之。因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度，以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一定范围内。 剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。 其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。 缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。当地下室或下部一层、几层，需要大空间时（如商场、停车库等）即形成部分框支剪力墙结构。在框架-剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身公寓。而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中。 为了适用任何方向的水平力（或地震作用），因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。

1 剪力墙结构设计和计算的优化

1.1 剪力墙结构设计方面的优化

（1）在剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，形成空间结构；抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向布置剪力墙， 并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近，以使其具有较好的空间工作性能。剪力墙的抗侧刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构重量，增大剪力墙结构的可利用空间，墙不宜布置太密，使其结构具有适宜的侧向刚度。

（2）剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙的竖向刚度应均匀，剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。宜避免使墙肢刚度相差悬殊的洞口设置，当剪力墙的洞口布置出现错洞、叠合错洞时，墙内配筋应构成框架形式。

（3）较长的剪力墙宜开设洞口，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接，每个独立墙段的总高度与其截面高度之比不应小于2，以避免剪力墙产生脆性的剪切破坏。抗震设计时，应尽量避免在洞口与墙边或在两个洞口之间形成墙肢截面高度与厚度之比小于4的小墙肢。当小墙肢截面的高度小于墙厚的4 倍时，应按框架柱设计，箍筋按框架柱加密区要求全高加密。

（4）剪力墙的特点是平面内刚度及承重力大，而平面外刚度及承载力都相对很小，应控制剪力墙平面外的弯矩，保证剪力墙平面外的稳定性。 当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时，应采取足够的措施减少梁端部弯矩对墙的不利影响。

（5）剪力墙布置对结构的抗侧刚度有很大影响，剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变 ；允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。 剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。

（6）在进行剪力墙设计时，应通过结构分析，在满足最大层间位移、周期比 、位移比的各项指标确定每层剪力墙的厚度时，同时考虑不同抗震等级轴压比的影响及稳定性和相关构造要求。

1.2 剪力墙结构计算方面的优化

在设计剪力墙结构时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，如剪力墙结构的刚度不宜过大，在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上，以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果无限接近规范值；控制好结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9； 在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2 倍，不应大于该楼层平均值的1.5 倍。剪力墙连梁是否超限；剪力墙底部加强区的轴压比是否满足规范要求。

（1）楼层最小剪力系数的调整原则。在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩不超过40%的前提下，尽可能减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近（不小于）规范限值。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。

（2）楼层最大层间最大位移与层高之比的调整原则。规范规定在计算多地震作用的楼层最大层间位移时，以楼间弯曲变形为主，计入扭转变形，可不扣除结构整体弯曲变形。因此，对于高层建筑应尽可能扭转变形最小，但又不能仅根据这些层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。在实际工程设计中，有些设计人员一看到某一方向层间位移不能满足规范要求，就不断地增加该项的侧向刚度。此举虽然可以解决问题，但应该注意此时结构的剪重比，若与规范限制接近则可行；若剪重比已经较大，则不应一味地增加，也要学会减小对应一侧的结构刚度，使其剪重比减小。地震作用减小，同样可以达到较好的效果。

（3）结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1之比（周期比）的调整原则。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在震中破坏严重。在设计时，要保证结构的抗扭刚度不能太弱：首先要限制结构平面的不规则性，避免产生较大的扭转效应，扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响；其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱，具体表现在Tt/T1指标上。 在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿周边布置，以提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则只是对侧向刚度的贡献大，对抗扭刚度来说，贡献甚微。

（4）连梁超限的调整原则。《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当大于8m时，宜采用弱连梁将其分开。同时还规定跨高比不小于5 的连梁宜按框架梁进行设计；有地震作用组合时，对于高跨比大于2.5及小于2.5两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。 塑性调幅可采用两种方法：1）在内力计算前将连梁刚度进行折减；2）在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。

2 结论

虽然 《高层建筑混凝土结构技术规程》、《建筑抗震设计规范》等都给出了剪力墙的相关标准，但相对较简单，在实际工程设计时， 设计阶段在项目成本控制中起着决定性的作用，而现阶段由于设计单位设计项目多，设计人员繁忙，多数项目的设计存在着优化空间。优化设计是建设方的追求，也是设计方的追求，在建筑领域应用优化设计，不仅可行，而且十分符合节约能源，保护环境的可持续发展观。 结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程，可以在满足规范约束条件下得出优化的设计方案，降低成本造价，提高结构性能，增大使用空间，缩短施工工期，是设计者追求的终极目标。

参考文献：

[1]JGJ3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程.中国建筑工业出版社，2002.

[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社，2010.

[3]沈蒲生.高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社，2006.

[4]方鄂华.高层建筑钢筋混凝土结构概念设计.机械工业出版社，2004.