高层建筑剪力墙结构设计问题及优化措施

摘 要：文章结合工程实例，针对高层建筑混凝土结构设计难点进行了总结与分析，并结合相关的设计规范，提出了有效的优化措施，旨在为建筑结构设计人员参考。

关键词：高层建筑；混凝土结构；设计问题；优化措施

近年来，在建筑结构优化方面，许多专家投入了大量的研究，并取得了一些成效，尤其是在结构构件方面。然而，到目前为止仍然没有一个成熟精确的数学模型，既可以满足结构设计规范要求及设计人员习惯，又能够使得结构最优化。人们普遍认为，当结构构件的内力达到最大承载力时，其结构是最优的。而在现实设计中要达到这个要求，往往需要设计者以结构构件为目标，对结构构件进行优化设计，使得结构设计最优化，从而达到降低工程造价的目的。

1 工程概况

本工程为32层住宅楼，地下1层，层高为3.8m，地上1层层高7.1m，2层层高3.8m，3层以上层高为2.9m。采用剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，结构嵌固端选取于地下室顶板处。

2 结构设计中存在的问题分析

（1）根据 GB50011-2010《建筑抗震设计规范》规定，在图1中，l/Bmax=7100/住宅优化前的平面图18900=0.376，由于大于0.35，因此可以判断平面属于凹凸不规则类型。另外，经过初步计算得知，在满足墙肢加长的条件下，首层墙体的厚度拟取400mm，也难以满足侧向刚度比的要求，由此也可以判断竖向为侧向刚度不规则类型。由此可见，本工程有两项不能满足规则性的要求，应按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中的规定，需要对水平地震作用下的内力进行调整，并对薄弱部位采取加强措施。笔者认为，若不能合理优化平面形状，盲目采取一些加强措施，必然会造成不必要的经济损失。

（ 2 ） 对图1的剪力墙布置进行分析得知，核心筒位置的墙体布置数量较多，刚度较大。通过建模和计算，得出Y-5%震偶然偏心作用下Y方向位移角的比值和最大层间位移角，以及X，Y方向最大层间位移角，其计算数据见表1。

根据表1中分析，住宅结构平面中核心筒处的剪力墙数量有消减现象。对结构中部的刚度有一定的消弱作用，这样不仅有利于对结构扭转效应进行控制，而且可以大大降低工程造价。假如所有墙体的厚度为200mm，如果对核心筒处的部分墙体进行消减，将会大幅度地减少混凝土用量及对原有墙体钢筋进行扣除，其具有一定的经济性。除此之外，有部分工程师为减低造价，每隔几层逐步缩短墙肢长度，如每隔5～7层缩短一次；但值得注意的是，要对结构位移比、轴压比等进行严格检查，《高规》3.5.4条：抗震设计时，结构竖向抗侧力构件宜上、下连续贯通（其条文说明指出“上下不连续”对抗震不利）；同时要确保墙肢长度应不小于墙体厚度的8倍，以避免造成墙体变成短肢剪力墙；故不推荐此做法。另外需要指出的是：当各项指标允许的情况下，墙长5～7米的较长剪力墙，宜开洞以削弱其刚度；线刚度为，当两墙墙长（b）之比为2时，刚度之比为8，弯曲应力之比约为2；据“按刚度分配”的原则，其承担的水平力过多 ，易在地震时首先破坏然后使建筑结构刚度及承载力大幅削弱，进而逐个击破；风荷载控制时，边缘构件因过大的弯曲应力“反复拉压”而造成裂缝过大。

3 优化措施

3.1 形状优化

根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》中的规定：在高层建筑结构单元内，需要确保结构平面形状的简单化和规则化，刚度分布要均匀，平面不宜过长，突出部分长度不宜过大，见表2；同时，要确保建筑的竖向体型的均匀性，避免外挑和内收过大，结构的侧向刚度要平衡，变化要均匀，尽量避免采用竖向布置不规则的结构。例如，如果高层建筑的结构平面布置和竖向布置较均匀且规则，其各项指标的校核验算也容易达到规范的要求，反之，各项指标难以达到规范要求。还可能造成墙柱截面过大，建筑重量严重超标，从而增加了工程造价，同时对建筑的使用功能影响较大。

另外，结构设计人员一定要重视概念设计，要确保概念设计在建筑方案设计阶段介入，并结合建筑结构的特点，在满足适用、美观的情况下，合理布置建筑结构的平面和竖向，在进行平面和竖向布置时，要坚持“简单、规则和均匀”原则。以设计出合理的刚度和承载力，尽量避免由于局部削弱而造成薄弱部位的结构体系。这样有利于不断优化施工图设计阶段的截面尺寸。

3.2 剪力墙平面布置

在布置剪力墙平面时，应注意以下几点：第一，在住宅结构平面布置过程中，不仅要满足建筑的使用功能，而且要沿周边均匀布置剪力墙。剪力墙的布置要位于建筑物的电梯间、楼梯间、平面形状变化较大的部位，且确保剪力墙之间的距离不能过大。第二，在剪力墙结构布置中，需要沿主轴方向进行布置，对于抗震设计的剪力墙结构，尽量避免采用单向的布置形式。第三，在剪力墙布置时，要确保墙肢截面简单化、规则化，结构的侧向刚度不宜过大。第四，在结构设计中，应尽量减少短肢剪力墙的数量，不能全部使用短肢剪力墙结构。第五，一字型墙轴压比较大时，墙体稳定性验算难以通过，材料利于率低，故尽量改为L型。

4 结语

综上所述，本文针对高层建筑混凝土结构的优化设计分析，从中可以得知，高层建筑混凝土结构优化设计的核心主要体现在结构整体和局部的概念，因此，结构设计人员应“先整体后局部”的设计理念，做好结构整体和局部的协调工作，以提高结构设计质量，确保建筑结构的安全度和经济性。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010.

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）.

[3]《混凝土结构设计规范》 GB50010-2010.

[4] 刘剑.高层建筑剪力墙结构优化设计探讨[J].技术与市场，2011（05）.