某高层住宅剪力墙结构体系的优化设计

【摘要】剪力墙结构体系具有整体性能好，刚度大，抵抗侧向变形能力强，设计合理时结构具有较好的塑性变形能力，抗震性能较好等优点。另外，剪力墙结构平面布置较为灵活，且不存在露柱，因此在现代高层住宅中应用广泛。本文对高层住宅剪力墙结构体系的优化设计及关键问题进行探讨，有较高的工程参考价值。

【关键词】剪力墙结构；高层住宅；钢连梁；混凝土双连梁

本文依据整体结构的受力变形特征，通过深入的计算分析并采取相应的构造措施，力求设计出具有良好抗震性能和经济性能的高层剪力墙结构，并针对高层剪力墙结构中出现的问题加以研究和解决，对高层剪力墙结构住宅的设计具有实践意义和参考价值。

一、高层建筑的定义

关于高层建筑的定义，到目前还没有统一的规定。从理论上来讲，应当按照结构的受力特性，即按水平荷载作用对建筑物的影响程度来划分。9 层及 9 层以上的建筑定义为高层建筑，并建议按建筑物的高度将高层建筑分为 4 类：第一类，9～16 层（最高到 50m）；第二类，17～25 层（最高到 75m）；第三类，26～40 层（最高到 l00m）；第四类，40 层以上（高度在 100m 以上），也称超高层建筑。在我国，关于高层建筑的划分规定也未完全统一。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）规定，10 层及 10 层以上和高度超过 28m 的钢筋混凝土民用建筑属于高层建筑。国家标准《高层民用建筑设计防火规范》（GB 50045-1995）规定，10 层及 10 层以上的住宅建筑（包括底层设置商业服务的住宅）和建筑高度超过 24m 的公共建筑为高层建筑。建筑高度指建筑物室外地面到其檐口或屋面、屋面板板顶的主体高度，屋顶上的望塔、排烟机房、电梯机房、水箱间和出屋面的楼梯间等不计入建筑高度和层数内。

二、高层住宅剪力墙结构体系的优化设计必要性

随着软件的飞速发展和设计理念的不断更新，高层建筑的结构形式也越来越多。但是由于高层建筑受水平荷载和地震作用影响较大，在高层建筑的设计中，也常伴随着一些难以解决的问题。本文结合实际工程，对高层剪力墙结构住宅的结构布置以及优化设计进行了研究。并针对高层剪力墙结构中连梁超筋的问题进行了研究，当根据规范进行刚度折减仍无法满足时，尝试用其他形式的连梁来代替混凝土连梁。本文的研究目的就在于，通过对几种不同形式连梁的受力性能的对比研究，发现其他形式的连梁代替混凝土连梁，以解决高层剪力墙结构中连梁超筋的问题，实现高层剪力墙结构的最为经济合理的结构布置形式。

文章的研究意义在于通过软件对实际工程的模拟分析，对结构的整体受力性能进行研究，并对高层剪力墙结构中连梁的性能进行研究和分析，用其他形式的连梁代替混凝土连梁，以解决传统设计时连梁容易超筋的问题，为高层剪力墙结构建筑的合理结构布置及优化设计提供依据和建议。

三、剪力墙的合理布置

（一）剪力墙的类型及其结构形式

根据剪力墙开洞率对其自身受力特性的影响，常常把单片剪力墙分为以下几种类型，不同类型的剪力墙，其结构形式也存在着差异。

（1） 无洞单肢剪力墙；

（2） 整体墙和小开口整体墙；

（3） 联肢墙；

（4） 短肢剪力墙。

（5） 此以上四种类型以外，另有开有不规则洞口的剪力墙，如错洞剪力墙和叠合错洞墙等。

（二）剪力墙的结构布置原则

（1）《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）第7.1.1条中规定：剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变。在设计上，如果剪力墙沿高度是不连续的，必然导致结构沿高度刚度的不连续性，容易引起突变，不利于抗震。

（2） 剪力墙平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向或其他方向最好采用双向或多向布置方式，两个方向的侧向刚度不宜相差过大，同时最好将不同方向的剪力墙分别进行联结，布置上力求拉通、对直，促使其空间工作性能达到最佳。抗震设计时，不应采用仅单向有墙的结构布置。

（3） 沿高度方向允许适当地改变墙厚和混凝土强度等级，也允许适当减少部分墙肢，以保证侧向刚度沿高度连续地逐渐变小。

（4） 有时剪力墙的长度比较长，此时，如果要确保每个墙段高宽比超过2，工程中往往是通过开设洞口的方式把长墙分为较小长度、较为均匀的多个独立墙段，设计上每个独立的墙段是整截面墙或是联肢墙均可以，考虑到弱连梁对墙肢内力的影响可以忽略，所以，在各个墙段之间通常借助弱连梁连接，如此一来可近似认为分成了若干独立墙段。

（5） 剪力墙洞口的布置对剪力墙的力学性能有着极大的影响。所以工程中布置的剪力墙的门窗洞口都是上下对齐，成列布置，形成明确的墙肢和连梁，应力的分布非常规则，同时较为符合目前设计上普遍应用的计算简图，设计出来的结果安全性能高。

（三）实际工程的剪力墙布置

该工程为高层剪力墙结构住宅，平面布置呈“U型”的不规则布置，户型大小各异，每层中有A、B、C、D四种不同面积的结构户型。

（1） 建筑结构总信息

1） 结构信息

该工程位于燕郊，是高层住宅。结构类型为剪力墙结构，结构重要性系数为 1.0。工程地上主体部分 29 层，地下室 2 层，无裙房和转换层，地上主体高度为85.1m。取地下室两层和地上四层作为剪力墙底部加强区。底部加强区高度为 20.7m。其中混凝土容重为 27kN/m3，钢材容重为 78kN/m3，钢筋选用HRB400.

2） 地震和风荷载信息

根据该工程场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为 C 类，体型系数 μs=1.30，修正后的基本风压 w0=0.45 KN/m2；该工程地震烈度为 8 度（0.20g），设计地震分组为第一组，剪力墙抗震等级为一级。特征周期 Tg=0.35s，结构基本周期 T1=1.90s，多遇地震影响系数最大值αmax1=0.16，罕遇地震影响系数最大值 αmax1=0.90。周期折减系数为 0.95，活荷质量折减系数为 0.5，结构的阻尼比为 5.0%。

3）调整信息

根据规范要求：中梁刚度增大系数取 1.80，梁端弯矩调幅系数取 0.85，梁设计弯矩增大系数取 1.00，连梁刚度折减系数取 0.55，梁扭矩折减系数取 0.40。

（2） 结构设计

将结构模型输入到 PKPM 中进行结构设计。由于户型各不相同，结构平面布置不规则，故而布置普通剪力墙的同时，适当的布置了短肢剪力墙，使得结构布置更加灵活。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）第 7.1.8 条规定：抗震设计时，高层建筑结构不应全部采用短肢剪力墙；B 级高度高层建筑以及抗震设防烈度为 9 度的 A 级高度高层建筑，不宜布置短肢剪力墙，不应采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构，即在规定的水平地震作力墙承担的底部倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的 30%。所以在结构布置时，要注意控制短肢剪力墙的数量，尽可能少的布置短肢剪力墙。

参考文献：

[1] 梅洪元，梁静.高层建筑与城市[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2] 沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

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