浅析高层建筑优化设计

[摘要] 本文通过笔者在高层建筑设计工作中，总结剪力墙结构在满足规范要求各项技术指标的前提下如何进行优化设计，从而达到降低工程造价的目的。

[关键词] 高层建筑 短肢剪力墙 剪力墙 技术指标

中图分类号：TU97文献标识码： A

1.引言

随着我国经济社会的快速发展，城市土地越来越紧张，住宅类建筑向高层及超高层发展已成为趋势。一般的高层住宅多选用剪力墙结构体系，同一建筑平面方案，不同的结构墙体布置其经济指标差异很大，主要是混凝土用量及含钢量差距很大。由于高层住宅建设的量大面广，若不注意提高设计水平则会造成很大的浪费。

2.高层建筑剪力墙结构的概念设计

《高层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)规定：高层建筑结构不应全部采用为短肢剪力墙结构。短肢剪力墙较多时，应布置简体(或一般剪力墙)，形成短肢剪力墙与简体(或一般剪力墙)共同抵抗水平力的剪力墙结构。抗震设计时，简体和一般墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩不宜小于结构总底部地震倾覆力矩的50％。一般认为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的40％～50％时属于短肢剪力墙结构。

短肢剪力墙结构抗震性能较差，经济指标不好。如《高规》规定：抗震设计时其抗震等级比一般剪力墙提高一级，对于无翼缘或端柱的一字形短肢剪力墙，其轴压比限值相应降低0.1；除底部加强部位外，其他各层短肢剪力墙的剪力设计值，一、二级抗震等级应分别乘以增大系数1.4和1.2；短肢剪力墙截面的全部纵向钢筋的配筋率，底部加强区部位不宜小于1.2％，其他部位不宜小于1.0％，以上要求加大了剪力墙的截面厚度及配筋率，所以在实际工程中尤其是地震区尽可能避免采用。

设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布，尽可能将剪力墙的墙肢截面高度(至少保证一肢)做的比8倍墙厚稍大，符合一般剪力墙，剪力墙也不必按开间布置，两间合并布置为大开间剪力墙，同时满足竖向荷载传递的要求。剪力墙尽可能设计

成“L”形、“T”形有利于剪力墙结构的稳定性，同时能够形成较好的侧向刚度。在同样满足规范的各项指标的情况下，更能减轻结构自重，减小结构构件，有利于降低工程投资。根据工程经验，对于“L”形、“T”形剪力墙，当一个方向的墙符合一般墙要求时，另一个方向的墙肢不宜过短，较小的墙肢常常会出现较大的配筋，一般宜控制在1m左右，使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜。

3.剪力墙结构设计计算原则

剪力墙结构设计时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，比如说剪力墙结构刚度不宜过大，应以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果接近规范限值(不小于限值)，同时要使楼层层间最大位移与层高之比满足规范限值。其次，考察剪力墙底部加强区的轴压比是否满足(对抗震等级为一、二级的剪力墙)，剪力墙连梁是否超限等。要控制好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，A级高度的剪力墙结构不应大于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(一般情况情况宜控制在1.2左右，特别不规则平面也宜控制在1.4以内)。

以下分析剪力墙结构设计中需重点关注的各种技术指标的调整方法。

1）楼层最小剪力系数(剪重比)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的不超过40％的前提下尽可能少布置剪力墙，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规范限值(不小于限值)。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）楼层层间最大位移与层高之比(位移)的调整原则：规范规定多遇地震作用标准值产生的楼层最大的弹性层间位移在计算时，除以弯曲变形为主的高层建筑外，可不扣除结构整体弯曲变形；应计入扭转变形。由此可见，对于一般的高层建筑，重点是楼间的剪切变形及扭转变形。剪切变形的控制是以竖向构件的多少来决定的，但竖向构件足够多(剪重比偏大)而布置不合理，则会造成扭转变形过大，同样不能满足层间位移的要求。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，而不能仅根据层间位移不够不加分析地增加竖向构件的刚度。 在实际工程设计中常常遇到如下情况：一些设计人员看到某一方向(X向或Y向)层间位移不满足规范要求，于是不断增加该向的侧向刚度；这样做是可以解决问题的，但应注意此时结构的剪重比是否较大，若与规范限值接近则可行，若剪重比已经较大，则不应当一味的增加，要学会用加法的同时也要学会用减法，即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结果。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，在地震中破坏严重，因此应保证结构的抗扭刚度不能太弱。结构的扭转效应应从以下两方面加以限制：首先，限制结构平面的不规则性，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，扭转变形的计算应考虑偶然偏心的影响；其次，限制结构的抗扭刚度不能太弱，关键是限制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。 在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿建筑周边布置，这样即可以提高结构的侧向刚度，同时又能够较大幅度的提高结构的抗扭刚度；若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则对侧向刚度的贡献大而对结构整体的抗扭刚度贡献甚微。

交叉斜撑构件在高层建筑剪力墙体系中的应用。 实际工程概况： 某工程位于抗震设防烈度8度区，地震基本加速度值为0.20g，场地类别为II类，地下一层，地上二十七层，层高2.8m。该平面中，A轴上剪力墙过少，而对称一侧K轴上剪力墙较多，从而造成位移及扭转比不能满足规范要求。通过尝试加厚A轴剪力墙厚度、增加洞口上连梁高度、层层设置拉梁三种措施，均不能得到合理的计算结果；说明A轴结构抗侧力刚度过小，如何提高该侧的抗侧力刚度成了问题的关键。笔者将高层钢结构设计中钢框架一支撑体系的概念借鉴到该工程的剪力墙结构设计当中，即在中间轴线间每隔两层设置一道两层通高的“X”撑，“X”撑上下端同时设置水平拉梁。计算表明，“X”撑设置后结构层间位移明显改善，结构的扭转比得到非常明显的变化；说明设置“X”撑后对A轴一侧的抗侧力刚度有很大的贡献，同时不影响建筑功能。

《高规》规定跨高比不小于5的连梁宜按框架梁进行设计。即跨高比不小于5的连梁刚度不应折减。而跨高比在5－6之间时，若连梁刚度不折减则也容易出现剪力或弯矩超限。该条文在实际工程设计中若能充分利用，则对节省工程造价也有非常明显的影响，

即将跨高比不大于5的连梁(刚度需折减)和减小剪力墙墙肢长度使连梁跨高比变为大于6的框架梁(刚度不折减)，而后者的钢筋及混凝土用量均小于前者，这对于节省工程投资具有很重要的意义。

4.结语

高层建筑剪力墙结构应用量大，应进行反复的优化设计，在重视概念设计的前提下，认真调整各项技术参数，使结构达到相对较优的结果；只有这样，才能即保证结构安全合理又能为社会节省大量的资源。