高层住宅剪力墙结构优化设计

  一、高层住宅混凝土剪力墙布置方式、经济分析、结构计算参数的合理选取

  1.高层住宅结构设计中剪力墙布置方式

  剪力墙结构一般都是应用于超高建筑和高层建筑，而在高层建筑结构中，结构位移是结构设计的一个主要指标。其中包括层间位移比和竖向层间位移角。另外，伴随着住宅建筑高度的不断的增加，水平的荷载作用效应起主要控制作用。而剪力墙在平面内有很大侧移刚度，所以剪力墙是承载着来自高层建筑的绝大部分的水平作用和水平剪力。

  在超高层建筑和高层建筑结构设计中，通过调整结构的侧向刚度来控制结构位移和层间位移角，而通过调整结构的扭转刚度来控制结构的扭转位移。剪力墙结构体系中结构的侧向刚度大小是可以通过剪力墙的截面来控制，例如剪力墙布置较多时，相对应的侧向刚度大；剪力墙布置较少时相对应的侧向刚度相对较小。另外通过剪力墙在建筑平面中的布置位置调整，可以控制剪力墙的扭转刚度从而达到控制结构扭转。结构的整体稳定、承载能力和刚度以及经济合理性的一种宏观控制。假如剪力墙体在高层建筑物中有比较合理的截面和平面布置，就会形成一个能够很好的抵抗墙体水平力的结构体系，此时还能够有效的分割空间，最大限度的满足建筑使用功能。

  2.高层剪力墙结构的经济分析

  剪力墙结构刚度大，整体性好，用钢量较省。在高层住宅中，开间均较小，分隔墙较多，采用现浇剪力墙结构可将承重墙减少，比较经济。剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内布置。另外，剪力墙结构的抗侧刚度大，结构周期小。在结构设计中应保证剪力墙结构满足国家规范关于结构水平位移和地震力的要求，做到安全适用，经济合理，就必须在实际工作中有所判断，将结构水平位移和地震力控制在合理的范围内，然后检查结构的内力和配筋。

  3.高层结构计算参数的合理选取

  （1）周期折减系数：

  填充墙较多时的剪力墙结构，取0.9～1.0；填充墙较少时的剪力墙结构，取1.0。填充墙对结构周期的影响与填充墙的类型、填充墙与主体结构的位置等密切相关，以上数值填充墙按实心砖墙确定的，对其他各类填充墙（空心砖砌体、混凝土砌块砌体等）可酌情调整确定。填充墙对主体结构周期的折减，实际上就是考虑填充墙刚度对主体结构刚度的影响程度，主体结构刚度愈大填充墙对结构周期影响越小，反之，则越大；填充墙的自身刚度越大，对主体结构周期影响也越大，反之，则越小。

  （2）振型个数的确定：

  以保证振型参与质量不小于总质量的90%为前提。高层建筑地震作用振型数非耦联时n≥9个，耦联时n≥15个；对多塔结构振型数n≥塔楼数量X 9。

  （3）连梁刚度折减系数：

  在内力和位移的计算中，连梁刚度折减系数可取0.5；当结构位移由风荷载控制时，连梁刚度折减系数宜不小于0.8。连梁常被称为结构抗震设计中的“保险丝”，它可以起到耗散地震能量的作用，伴随着连梁梁端产生塑性变形，结构刚度退化，变形加大，结构出现内力重分布，剪力墙墙肢内力加大。

  二、优化结构设计，降低工程造价

  1.结构设计优化增加合理性和安全性

  优化结构设计，使结构受力均衡，技术应用得当，整体安全可靠，这样设计出来的结构才能达到既经济又合理的目的。

  从结构设计整体布局来看，在水平荷载作用下，剪力墙的暗柱配筋往往是构造配筋，暗柱截面的确定与剪力墙的布置有密切的关系，而构造配筋与暗柱截面又有一一对应关系。由于剪力墙布置的差异性，一片剪力墙两端暗柱的截面可能差6～10倍。配筋也相应差6～10倍。而剪力墙在不同方向的水平荷载作用下是具有对称性的。这样设计出的结构就会造成极大的浪费。因此，首先合理的布置剪力墙，尽可能使之对称布置，这样即节省造价，又增加结构的安全性。

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  2.《建筑抗震设计规范 GB50011-2010》规定

  （1）侧向刚度不规则。侧向刚度小于相邻层的70%，或小于其上相邻三层侧向刚度平均值的80%；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进水平向尺寸大于相邻下一层的25%。

  （2）竖向抗侧力构件不连续。竖向抗侧力构件的内力由水平转换构件向下传递。

  （3）楼层承载力突变。抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。从而对剪力墙竖向布置做了间接的规定。保持剪力墙从下向上贯通布置原则，通过减小截面厚度使侧向刚度减小。

  3.剪力墙配筋控制对主体造价起着关键性的作用

  通过以往高层住宅项目的结构设计对比看，一般剪力墙配筋几乎都是按规范规定的最小配筋率构造配筋，包括竖向分布筋和水平向分布筋。所以控制剪力墙厚度，可以有效的控制剪力墙身钢筋用量。在抗震设计时，当底层剪力墙肢轴压比控制在抗震等级范围不同限值内，则剪力墙仅设置构造边缘构件，而当轴压比大于规定限值时，应设置约束边缘构件。而在剪力墙配筋设计时，构造边缘构件和约束边缘构件的配筋率相差甚大，所以适当的加大剪力墙肢截面，把底层轴压比控制在设置构造边缘构件限值以内，可以有效的降低钢筋配筋量。所以通过合理的截面布置可以很好的优化剪力墙配筋设计。

  三、剪力墙结构构件的合适含钢量

  关于钢筋含钢量指标的计算方法，依据已知的现行标准进行参考的依据基础上进行计算。通常为计算范围内的相应结构钢材用量除以计算范围内的结构面积。1）结构钢材包含剪力墙、柱、梁、楼板、空调板、窗台板、阳台栏板、砌体拉结筋等混凝土结构的受力及构造钢筋；不含纯建筑的混凝土装饰构件、预埋件、混凝土墙梁与砌体间加挂的钢丝网、一楼为防潮而设置的架空预制板所含的钢筋。2）结构面积等于建筑面积与建筑赠送的但仍为结构楼板或屋面板遮盖部分的面积之和。例如层高小于 2.2m部分，在计算建筑面积时只计算一半，在计算结构面积时全数计入。

  高层建筑如因建筑的空间等方面的要求必须设置结构转换层时，转换层应有单独统计的含钢量指标。总的含钢量指标中应同时提供以下两种类型：1）不含转换层的面积及其用钢量的指标；2）包含转换层的面积及其用钢量的指标。

  含钢量指标要求是以常规结构的实际建造面积计算的，这就提醒我们在统计含钢量时，务必以实际建造面积计算，而不是简单的以建筑面积计算，这样算出来的结果才能真正反应结构的含钢量水平的高低。

  四、总结

  结构优化的目的首先是为了降低工程造价，而不是把原有加大的安全储备减少，要在保证整个结构安全可靠的前提下，做到经济合理，还能很好的满足建筑的使用功能。近年来，高层住宅剪力墙结构应用广泛，数量多，投资大，因此进行合理的结构优化设计具有重要的意义。

  参考文献：

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  [2]宋瑛.剪力墙布置位置的设计优化[J].山西建筑，2012，38（29）：53-54.DOI：10.3969/j.issn.1009-6825.2012.29.030.

  [3]徐霞.高层建筑框支剪力墙结构设计优化[J].建筑施工，2013，5（6）：524-525.