淺析剪力墻結構優(yōu)化設計的相關措施

黃國維

浙江當代發(fā)展建筑設計院有限公司 浙江杭州 310000

摘要：隨著高層化建筑應用的普遍性，剪力墻在建筑業(yè)中的要求也越來越迫切，對質量和性能方面提出了更高的要求。剪力墻結構通過用鋼筋混凝土墻板代替框架結構中的梁柱，來承擔各類荷載的內力，有效地控制結構的水平力，在抗震方面起到了良好的作用。本文主要就剪力墻結構優(yōu)化設計的相關問題進行了探討。

關鍵詞：剪力墻；結構設計；優(yōu)化設計

一、剪力墻結構的基本原則

剪力墻又被稱為抗風墻、抗震墻、結構墻，既能夠承擔水平構件傳來的豎向荷載，又能夠承擔風力或地震作用傳來的水平地震作用，可以節(jié)約層高，空間利用比較好。剪力墻結構主要分為：實體墻或者截面剪力墻、整體小開口剪力墻、雙肢或多肢剪力墻和壁式框架等，每一種剪力墻結構都有不同的形式和作用。

由于剪力墻平面外承載力和剛度很小，而平面內承載力和剛度則相對較大，要盡量避免平面外的搭接，因為在梁與剪力墻進行連接時，會產生平面外彎矩的現(xiàn)象，使剪力墻平面外的安全性受到威脅。在剪力墻結構設計中，連梁跨高比小于2.5或者大于5的時候，會出現(xiàn)彎矩，剪力也會超過規(guī)定的限值，對工程造價產生重大的影響。

剪力墻的布置主要是雙向和多向的，應該從整體出發(fā)，貫穿整個建筑物，在較長的剪力墻設計過程中，要將剪力墻平均分成若干段，每個獨立墻段的總高度與長度之比不宜小于3，墻段長度不宜大于8米，充分地發(fā)揮墻體配筋的作用。采用增加與沿梁軸線垂直的墻肢或者壁柱，減少彎矩對墻體的影響，控制剪力墻的平面外彎矩，把剪力墻拉通對直，避免疊合錯洞墻和錯洞剪力墻的出現(xiàn)，避免小墻肢在洞口與墻邊的出現(xiàn)，增強抗震的能力。

二、剪力墻結構的設計

剪力墻長度和寬度尺寸與其厚度相比比較大，根據(jù)構件設計的要求不同，使用的設計長度與厚度則不同。一方面是墻肢的長度，剪力墻墻肢長度即為墻體截面高度，其長度不應超過8m。確保剪力墻結構的延性是設計剪力墻結構的關鍵。若要是避免脆性的剪切破壞，可將剪力墻設計成高寬比大于3的細高剪力墻結構。但有時由于墻體本身長度很大，要想保證比值大于3，就可以采用開洞的方法將其變?yōu)榫鶆虻倪B肢體墻，而其洞口采用約束彎矩比較小的弱連梁的效果較好。另一方面是剪力墻墻肢的厚度，《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》規(guī)定了剪力墻的最小厚度，以保證剪力墻出平面的剛度和穩(wěn)定性。住宅建筑填充墻厚一般為200mm，相應剪力墻墻厚也取為200mm。對于無地下室的高層建筑，為避免發(fā)生墻厚大于填充厚度的情況，在布置剪力墻時，應結合建筑平面，盡量避免使用一字形剪力墻，而采用L、T、Z、十字形等截面形式。

按照《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ3-2010中相關規(guī)定，抗震設計時，重力荷載代表值作用下，一、二、三級剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過表7.2.13的限值，若一、二、三級剪力墻底層墻肢截面的軸壓比超過表7.2.14的規(guī)定值時，以及部分框支剪力墻結構的剪力墻，應在底部加強部位及相鄰的上一層根據(jù)規(guī)范設置約束邊緣構件。

兩端與剪力墻在平面內相連的梁為連梁，水平荷載作用下，墻肢如果發(fā)生彎曲變形，就會導致連梁產生內力，進而約束墻肢，減少墻肢的變形，改善其受力的狀態(tài)。在剪力墻結構設計中，常會出現(xiàn)連梁超筋的問題，可以通過減小連梁的截面高度、調整塑形方面的處理、放棄對連梁的使用等諸多方面來進行解決。

三、剪力墻結構設計的優(yōu)化措施

對建筑結構進行優(yōu)化設計能夠在保證安全性的前提下，有效降低工程成本，在剪力墻結構優(yōu)化設計中需針對工程的特點，分析其中存在的主要問題，對其結構布置及設計等進行適當?shù)恼{整。以下以某工程為例，對剪力墻結構的優(yōu)化設計具體措施進行分析。

1、工程概況

某高層商住樓，地下兩層，地上進31層，標準層高度為3.0m，建筑總高度為98.10m，總建筑面積約為2萬m2，抗震設防烈度Ⅷ度，設計基本地震加速度值0.2g，設計地震分組為第二組，Ⅱ類場地，特征周期為0.55S，剪力墻抗震等級為一級，混凝土強度為C40～C25，采用純剪力墻結構，墻肢底部加強部位寬350mm，以上逐步遞增至200mm，通過分析SATWE計算結果發(fā)現(xiàn)該結構設計剪力墻的利用率較低，低層墻肢軸壓比在0.37～0.43之間，結構位移較好，控制在1.2以內，且結構周期、位移角較小，整體偏剛。

（1）一般優(yōu)化措施

剪力墻結構的設計主要可分為剪力墻結構設計和計算方面的優(yōu)化，在進行結構優(yōu)化設計時，不僅要注重設計方面，也要把計算列為其中重要的部分。

（1）剪力墻結構設計優(yōu)化

在剪力墻結構設計過程中，應當注重抗震的作用，盡量避免單向布置，按照雙向布置的原則，使受力方向的抗側剛度逐漸接近，形成一個良好的空間結構。利用空間的充足性，減輕結構的重量。剪力墻的門窗洞口要成列布置，墻肢截面簡單，與連梁分布規(guī)則，當出現(xiàn)錯洞或者疊合錯洞的情況下，腔內的配筋要形成框架的形式。由于剪力墻結構的抗側剛度受布置結構影響較大，如果出現(xiàn)突變的情況，對抗震非常不利，在對剪力墻進行結構設計時，要堅持從上到下連續(xù)布置的原則，改變墻體的厚度和混凝土的強度等級，減小側向沿高的高度；站在多種角度，從多方面出發(fā)，進行結構分析，注重和考慮抗震等級平均軸壓比帶來的影響及其穩(wěn)定性的相關要求。

（2）剪力墻結構計算優(yōu)化

在剪力墻結構計算方面進行優(yōu)化時，應當遵循樓層最小剪力系數(shù)的調整原則、連梁超出限值的調整原則、樓層最大位移和層高之比的調整原則、結構扭轉為主的第一自振周期和以平動為主的第一自振周期之間的比例調整原則，使計算結果無限地接近規(guī)范值。

3、具體優(yōu)化設計措施

針對本工程剪力墻結構設計中存在的問題，采取的具體優(yōu)化設計方法包括：

（1）主體結構結構的抗側剛度

在高層建筑單位建筑面積結構材料用量中，房屋層數(shù)與用于承擔重力荷載的結構材料用量與成正比例，而用于抵抗側力的結構材料數(shù)量，則以建筑層數(shù)的二次方的關系急劇增加，所以參考傳統(tǒng)工程設計經驗，高層建筑的各項計算指標能否通過規(guī)范要求，抗側剛度起著決定性的作用。因此，高層建筑結構的抗側剛度的計算確定，在高層建筑結構的設計中是十分重要的，它是整個建筑結構設計工作中最重要的基礎核心工作。優(yōu)化剪力墻抗側剛度的常用措施有改變剪力墻的截面尺寸、調整剪力墻的混凝土強度等，在建筑高度及豎向荷載已知的情況下，剪力墻高寬比比較大， 而剪切變形的影響又比較小時，可取剪力墻的彎曲剛度作為設計變量，建立剪力墻抗側剛度優(yōu)化的數(shù)學模型，對設計進行優(yōu)化。

（2）地震作用：

當前，一般高層建筑抗震作用的計算方法主要有振型分解反應譜法和底部剪力法兩種，前者在國際上被普遍用來設計高層建筑的抗震性能，后者是在高層建筑結構抗震設計時，簡化計算擬靜力計算水平電算求解的一種方法，該方法方便運算，但是造成的數(shù)據(jù)誤差較大，會造成結構剛度、質量沿豎向變化較大甚至結構明顯不對稱。但此方法被運用于抗側剛度優(yōu)化分析時，可以簡化計算步驟，得出最佳抗側剛度數(shù)據(jù)后，借助電子運算方法和振型分解反應譜法，使水平地震作用及其影響都能得出準確結果。

（3）建筑結構輕型化

目前我國剪力墻結構體系高層建筑，混凝土及鋼材的強度等級一般不高，自重偏大，建筑結構輕型化后，能夠節(jié)約建筑材料，減小結構截面，還有利于抗震性能的結構性改善，改變建筑在地震中的受力狀態(tài)。結構輕型化的措施主要有：選用合理的樓蓋結構形式，合理地確定樓蓋結構的截面尺寸，有效減輕高層建筑的總重量；在滿足結構層間側移、強度延性及頂點側移控制的基礎上，掌握好墻體的厚度；采用質量較輕但強度較高的建筑材料，在保證墻體輕度之外，盡量減少建筑自重。

結語：

社會經濟的發(fā)展，使土地利用率大幅度提高，土地資源越來越貧乏，高層建筑成為建筑業(yè)發(fā)展的一種趨勢，剪力墻由此誕生。相對于其他建筑結構而言，剪力墻外觀精美，經濟適用，并且受到廣大開發(fā)商和業(yè)主的喜愛，在建筑結構中應用越來越廣泛，經濟發(fā)展刺激著人們的生活需求，剪力墻的優(yōu)化設計勢在必行。

參考文獻：

[1]李源新.高層建筑結構概念設計與高層剪力墻結構的優(yōu)化[J].科技創(chuàng)新導報，2012，（15）：44.