剪力墙结构优化设计与经济分析

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　　摘 要：在高层建筑结构设计中，剪力墙结构体系因具有整体性好、刚度大、侧向变形小、抗风与抗震性能好等特点，因而在高层建筑特别是住宅建筑中被大量采用。本文笔者根据多年来的工程设计实践，重点对高层建筑剪力墙结构优化设计处理方法进行阐述，以提高建筑产品的性价此、降低工程造价的设计要求，可供设计人员在设计时参考。
　　关键词：剪力墙目录控制参数结构设计高层建筑经济分析
　　1、前言
　　随着我国城市化建设进程的加快，人们对住宅，特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高，高层住宅建筑大量采用了剪力墙结构。它相对于框架结构更为简洁、宽敞，使用功能更好，为住户的自行改造增大了灵活性，加大了使用面积，因此，在高层剪力墙结构设计中，既要发挥这种结构体系的优点，又要改进其工程费用较高的缺点，降低高层建筑剪力墙结构的造价和材料消耗量，这是考核结构设计水平的重要指标。本文根据笔者多年来的工程设计实践，探讨了使高层建筑剪力墙结构设计更经济的措施。
　　2、高层建筑目标控制参数
　　 高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中控制的目标参数主要有如下七个 ：
　　2.1 轴压比
　　 主要为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，轴压比不满足
　　要求，结构的延性要求无法保证；轴压比过小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应墙、柱的截面面积。
　　2.2 剪重比
　　 主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的水平地震剪力如果达不到规范的最低要求，就要人为提高，并按这个最低要求完成后续的计算。
　　2.3 刚度比
　　 主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。
　　2.4 位移比
　　 主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。
　　2.5 周期比
　　 主要为限制结构的抗扭刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响。周期比不满足要求，说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。
　　2.6 刚重比
　　 主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。
　　2.7 层间受剪承载力比
　　 主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变，形成薄弱层。
　　3、高层建筑剪力墙结构优化设计分析
　　3．1高层剪力墙住宅的结构设计的经济分析
　　(1)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，可将承重墙减少，比较经济。另外，剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内布置，因此在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。
　　 (2)剪力墙结构设计中应注意的问题。剪力墙结构的坑侧刚度大，结构周期小，地震响应大；剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费；另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋太低，则结构延性差。
　　 刚度较大的结构一般震害较轻，但是，一般情况下，建筑物的刚度越大，工程费用越高。因此，剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求，但如果要做到安全适用，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范围内，然后检查结构的内力和配筋。
　　3.2剪力墙结构构件的合适含钢量
　　 在以结构设计规范为依据的实际情况中对某高层剪力墙住宅楼的结构计算作整体分析，同时从结构含钢量的角度作具体分析，从而优化其结构设计。
　　3.2.1现行规范对钢筋混凝土构件给出了最小含钢量
　　(1)剪力墙端部加强区关于暗柱、端柱、翼柱的构造配筋要求；
　　(2)剪力墙分布钢筋的配筋要求；
　　(3)连梁的配筋要求；
　　3.2.2因混凝土为泵送商品混凝土，水灰比大，收缩率较大
　　为满足要求并根据实际情况，高层建筑合适的含钢量见下表 1：
　　种类 受力纵钢筋
　　% 非受力纵筋% 箍筋
　　梁 0.6～1.5 0.3 0.25～0.4（1）
　　柱
　　（包括暗柱） 0.5～1.5 0.812（2）
　　墙 0.35～0.5 0.35～0.5
　　板 0.35～0.6 0.35～0.6
　　表1高层建筑合适的含钢量
　　3.3优化结构设计，降低工程造价
　　 (1)优化结构设计，使结构受力均衡，技术应用得当，整体安全可靠度一致，任一结构都能同时发挥其最大作用，这样设计出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，暗柱断面的确定与剪力墙的布置有密切的关系，而构造配筋与暗柱断面又有着一一对应关系。由于剪力墙布置的差异，一片剪力墙两端暗柱的断面可能差6倍～10倍。配筋也相应差6倍～l0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，首先调整剪力墙的布置，尽可能使之对称这样即节省了造价，又增加了结构安全性。
　　 (2)造成结构浪费往往是由于设计人对某种结构概念理解不透而导致的。例如：某18层综合楼，由内简外框组成结构。外框柱距7.2m，外框与内简距离9 m设计人员将外框边梁做成lO00mm×750mm，目的是增加边梁的抗剪能力，引入剪力滞后的概念，加大外框结构的刚度。实际上，该工程由于外框柱距 7.2mm，很难产生剪力滞后效应，边梁采用lO00mm×750mm与采用350mm×750mm对外框的变形是相同的，不会增加结构的刚度，反而会因为增加重量，加大结构自身的负担，对结构不利。设计人员如果不能准确把握结构概念，就会造成浪费。
　　4、应用实例分析
　　4.1工程概况
　　 本工程位于湖南常德市，所在住宅小区总建筑面积达50万M2，与本工程类似的住宅楼近二十多栋。如果通过对一栋楼进行结构设计分析，找到其中可优化改进的地方，就可使结构设计得到部分的优化、提高建筑产品的性价比、降低单价造价和整个小区的工程造价。
　　 进行结构设计分析的住宅楼为地下一层，地上三十层的纯剪力墙结构。总建筑面积约1.49万M2，地下一层为车库，层高均为4.6m，首层架空，层高5.0m；二层及以上层为住宅，层高为3.0m。建筑类别为丙类。II类场地。
　　4.2结构整体计算
　　4.2.1整体计算结构
　　结构自振周期(取前三个振型)见表2
　　振型号 周期（s） 平动系数 扭转系数
　　1 2.3912 0.96 0.04
　　2 2.2316 0.96 0.04
　　3 2.0412 0.08 0.92
　　表2结构自振周期参数
　　4.2.2结构整体合理性判断
　　 (1)楼层最小剪重比大于规范容许的“楼层最小地震剪力系数值”较多，结构整体布置还有可优化的空间。
　　 (2)结构平均重量：13.6KN/M2，合理。
　　作用方向 X Y
　　楼层最小剪重比 2.46% 2.51%
　　有效质量系数 95.59% 94.49%
　　标准层面积 474 M2
　　总重标准值 42998
　　楼层最大层间位移与该楼层平均值的最大值 1.29 1.28
　　楼层最大水平位移与该楼层平均值的最大比值 1.22 1.26
　　楼层层间最大位移与层高之比的最大值 1/1206 1/1350
　　底部地震剪力（KN） 4384 4868
　　表3主要控制参数
　　 (3)自振周期：参照(T1－(0.05～0.08)n=1.5～2.4S)，周期在合理范围内。
　　 (4)X方向楼层最大层间(水平)位移与该楼层平均值的最大比值为1.29，在规范许可范围内。
　　4.3剪力墙及连梁钢筋用量分析
　　 墙厚根据规范及工程层数，层高情况取值如下：首层及地下层350mm，二～八层及以上墙250mm，其余墙200mm。
　　 设计配筋采用的为包括配筋法。从节省造价角度考虑，可从以下方面适度调减钢筋：(1)暗柱、连梁等处构件根据计算结构按构造要求配筋(不包括局部按计算配筋的)，其中，墙体分布筋基本与规范最小配筋及其它构造要求相吻合；(2)地下室外墙水平分布筋为φ14@200(二级)。
　　4.4楼板钢筋用量分析
　　 考虑电气埋管要求楼板厚度最小取100 mm。大房间根据板跨，考虑轻质隔墙荷载分别取120 mm几种。
　　 楼板采用弹性计算。采用的是普通的三级钢筋，楼板配筋大部分为φ8@200，配筋率0.025％；较合理。
　　5、结束语
　　 高层建筑剪力墙的经济性设计受结构布置和剪力墙的形式、剪力墙的厚度、配筋率、结构自重及刚度等多种因素的制约。因此，在进行高层建筑剪力墙结构设计时，高度重视影响结构技术经济的因素，考虑综合效益，以达到降低工程造价和材料消耗量的目的，取得更加科学、合理、经济的设计结果。
　　参考文献
　　[1]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，2002．
　　[2]建筑抗震设计规范．[s]北京：中国建筑工业出版社，2001．
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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