高层住宅剪力墙结构优化设计探析

摘要：剪力墙结构作为高层建筑中的主要结构形式，被广泛运用于现代高层建筑领域。高层住宅剪力墙结构设计不仅要满足结构安全、功能适用等要求，还应做到结构体系受力合理、节约用材，降低造价。本文将结合某高层住宅结构设计实例，分析结构优化设计的方法，并指出其在具体实践中的应用。

关键词：高层住宅；剪力墙结构；优化设计

中图分类号：TU208文献标识码： A

近年来，随着经济发展和城镇化进程的需要，城市住宅建设用地日趋紧张，高层建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势，这也成为城市现代化的象征。为满足抗震设防等条件的要求，新的结构形式也不断发展，其中剪力墙结构因其具有整体性好，布置灵活，抗侧刚度大，抗震性能好等特点广泛用于高层住宅。

在结构设计中既要满足现行规范各项指标要求，还必须达到一定的经济性，对剪力墙进行合理布置，优化剪力墙的数量和位置，以及部分构造措施的具体应用尤为重要。这些规范中没有明确的规定，而部分结构设计师出于结构安全、方便设计、缩短设计周期等考虑而把结构设计得偏于保守，设计出的剪力墙刚度偏大，布置不合理，给建设方造成了不同程度的浪费。

1.剪力墙结构优化设计的基本思路

1.1剪力墙的选型布置设计

高层剪力墙结构平面布置应力求简单、规则，避免出现数量不多而又长又实的硬脆墙，尽可能使各片剪力墙的高长比不小于8~12，以尽量保留剪力墙的延性抗弯特性，使同一主轴方向的各片剪力墙能一起均匀协同工作[3]。平面中剪力墙应双向布置，并使两个方向刚度接近，形成较好的空间工作性能。及转角部分尽量设置稍长的剪力墙，内部布置稍短的剪力墙，形成较好的抗扭刚度。层数较高时可依靠楼梯间、电梯间或者局部房间四周剪力墙构成的矩形筒体，形成效率较高的抗侧力结构。

1.2剪力墙的合理数量及刚度

高层住宅中地震作用或者风作为控制荷载，位移成为主要的控制指标，也就是结构需要合理的抗侧力刚度，这就需要设置合理的剪力墙数量。剪力墙数量较少，结构抗侧力刚度太小，房屋变形过大，影响正常使用。剪力墙数量过多，或墙肢长度不变而墙肢厚度较大，结构刚度就会随之增大，地震力变大，构件配筋较大，超过实际需要和合理的数量就会显著增加工程造价。因此设计中要确定合适的剪力墙数量及厚度，使地震作用尽可能的小，而又能满足规范规定的变形、稳定等要求。

1.3剪力墙的构造优化

除薄弱部位中必须加强的部位及计算要求外，剪力墙可根据规范及图集中的最低构造要求配置钢筋。剪力墙的墙身及边缘构件的配筋率配箍率需严格按规范控制，此外例如规范允许剪力墙约束边缘构件箍筋体积配箍率的计算可计入锚入暗柱的墙身水平钢筋（不大于总体积配箍率30%），很多设计人员并没有考虑这点，造成暗柱内箍筋的重复浪费设置；约束边缘构件暗柱中可设置少量的内封闭箍筋，构造边缘构件可全部设置拉筋，住宅楼面楼中可根据抗震等级设置较小直径的钢筋（12）代替较大的通长直径钢筋等等。

2. 剪力墙结构优化设计实例

2.1.结构优化模型的建立

以镇江扬中市某住宅小区为例，该住宅为地上18层，地下1层，层高均为2.9m，设防烈度7度（0.1g），场地类别为3类，丙类建筑。优化前原设计单位采用一二层及地下采用250mm厚，三层及以上为200mm厚剪力墙，平面布置如下图所示：

图一 原设计标准层剪力墙布置图

优化后剪力墙均采用200mm厚，剪力墙长度大大减小，内侧长墙减短分散布置，房屋四周除门窗洞口外尽量多布置剪力墙，中间个别部位甚至可布置短肢剪力墙，双向剪力墙数量尽可能基本相当，形成匀称的刚度分布。

图二 优化后标准层剪力墙布置图

2.2 优化前后计算结果对比分析

本次计算软件采用中国建科院编制的高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE进行模型建立及计算分析，对比两种设计模型的模态特性，受力特性，变形特性以及经济性指标。

2.2.1 模型动力特性对比

优化前模型 优化后模型

振型 周期（S） 平动系数 (X+Y) 扭转系数 周期（S） 平动系数 (X+Y) 扭转系数

1 1.2471 0.90(0.88+0.02) 0.10 1.9594 0.95(0.01+0.94) 0.05

2 1.0230 0.83(0.01+0.82) 0.17 1.8254 0.85(0.80+0.05) 0.15

3 0.8676 0.19(0.03+0.16) 0.81 1.2724 0.11(0.09+0.02) 0.89

4 0.3601 0.98(0.98+0.00) 0.02 0.5352 0.88(0.64+0.24) 0.12

5 0.2775 0.70(0.00+0.70) 0.30 0.5156 1.00(0.37+0.63) 0.00

从结果看，两种模型第一、第二振型均为两个方向的平动为主，第三振型为扭转振型，结构周期均在正常范围以内，周期比均满足高规[1]的要求。不同之处在于原设计剪力墙数量较多，结构刚度较大，周期相对偏小；优化后剪力墙数量减少，结构变柔，周期增加明显，两方向平动周期更为接近，刚度较为均匀，且周期比略低，扭转刚度相对较好。

2.2.2 地震力及楼层剪力对比

由2.2.1条可知，优化后刚度减弱，周期变长，从而导致结构所受地震力减小，楼层地震剪力相应也显著减小。在原设计底层最小剪重比为X向3.00%，Y向2.92%，优化后最小剪重比为X向1.89%，Y向1.93%，同样可以看出剪力的显著降低，优化模型在满足规范的前提下达到了较好的效果。

图三 X向及Y向地震力对比图

2.2.3 位移反应对比

图四 X向及Y向层间位移角对比图

层间位移角反应了结构水平抗侧力刚度的大小，是对结构整体平动刚度的控制，抗规[2]及高规[1]要求剪力墙结构弹性层间位移角限制为1/1000。优化前最大层间位移角X向1/1868，Y向1/1716，刚度偏大，剪力墙优化后X向1/1232，Y向1/1121，刚度既满足规范要求，剪力墙数量也显得经济合理。规定水平力下的最大位移比，原设计X向1.21，Y向1.41，优化后X向1.14，Y向1.27，结构扭转效应得到较好的控制。

2.2.4 经济性比较

目前随着社会发展的需要，房地产建设中对施工设计图纸的经济性要求越来越高，同样一个建设项目，不同的结构工程师设计的图纸可能差别很大，所以力求最优化的设计显得很重要。本工程原设计梁板墙全楼平均混凝土用量约为每平方0.38m3，用钢量约为每平方47.2kg，优化设计后混凝土用量约为每平方0.30m3，用钢量约为每平方41.8kg，造价节省明显。

3.结语

对于高层剪力墙结构的设计，必须要注重的是概念设计以及总体指标的控制。住宅建筑相对于一般公共建筑开间较小，剪力墙的布置有较大的自由性，不同的布置方案会带来不一样的设计结果，优化设计的目的是为了在保证一定安全贮备和可靠度的基础上，做到更加经济合理。

参考文献：

[1] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2] 建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S]. 北京:中国建筑工业出版社，2010.

[3] 傅学怡.实用高层建筑结构设计(第二版)[M] 北京:中国建筑工业出版社，2010,8.