高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

屈國紅

（山西省建筑設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030013）

1 工程概況

本工程為山西太原市某住宅小區(qū)高層剪力墻結(jié)構(gòu)，地下2層，地上30層，其中-2層使用功能為人防，房屋結(jié)構(gòu)總高度90.3米。設(shè)防烈度8度 （0.20g），地震分組二組，場地類別Ⅲ類，特征周期0.55s，抗震等級一級。

2 剪力墻的布置

2.1 剪力墻平面布置原則

剪力墻布置宜遵循均勻?qū)ΨQ的原則，減少結(jié)構(gòu)樓層質(zhì)量中心與剛度中心的偏心，從而減少結(jié)構(gòu)由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)增加的配筋。在滿足結(jié)構(gòu)各項整體指標(biāo)的前提下，本工程除住宅平面的樓電梯間周圍集中布置剪力墻外，其余平面中部的剪力墻不宜布置過多。一般控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和層間位移角的位置均在平面的周邊和角部，故本工程適當(dāng)加強了平面外圍的剪力墻布置。通過計算結(jié)構(gòu)周期比為0.59，抗扭剛度較強，結(jié)構(gòu)布置較為合理。

2.2 剪力墻布置的長度與厚度

1）剪力墻不是布置的越多，結(jié)構(gòu)就越穩(wěn)定安全，實際上剪力墻布置越多，結(jié)構(gòu)自重和剛度越大，地震作用力就越大，進而導(dǎo)致一系列構(gòu)件配筋的增大。本工程對于端部剪力墻長＞8m的用洞口分成雙肢墻，從而在滿足結(jié)構(gòu)各整體指標(biāo)的前提下減小結(jié)構(gòu)吸收的地震力。剪力墻布置的數(shù)量合理經(jīng)濟與否還可以通過層間位移角指標(biāo)來進行判斷，本工程通過計算層間位移角為1/1019，滿足規(guī)范1/1000的最大限值，且較為經(jīng)濟。2）常有設(shè)計人員為了迎合建設(shè)單位對含鋼量的要求，為了應(yīng)付顧問咨詢單位的優(yōu)化，對較高的 （高度＞60m）高層建筑，機械地控制剪力墻高寬比，例如墻厚200mm時，大部分剪力墻長取值1650mm或1700mm，此時由于墻肢兩端需要設(shè)置邊緣構(gòu)件，連梁配筋也大于墻體配筋，同時開洞處還需二次結(jié)構(gòu)后砌墻，最終不一定經(jīng)濟。本工程處于高烈度區(qū)且房屋較高 （高度＞60m），優(yōu)先布置一般剪力墻，減少復(fù)雜形狀，盡量布置為 “L”形、“T”形，有利于剪力墻穩(wěn)定，在提高抗震性的同時滿足經(jīng)濟性。3）由于平面南側(cè)建筑窗洞較多，剪力墻相對較少，導(dǎo)致底部軸壓比超出規(guī)范限值，本工程除對地上1～5層南側(cè)平行于X軸的墻體加厚為250mm，其余均為200mm。既滿足規(guī)范規(guī)定，又保證了經(jīng)濟性。

2.3 剪力墻的開洞處理

1）過長的剪力墻應(yīng)開洞口，且洞口尺寸宜使連梁跨高比ln/hb為2.5～5，使其破壞形式實現(xiàn)延性破壞。本工程連梁的跨高比大多為3～5，在加強剪力墻整體剛度的同時適當(dāng)減小地震時連梁分擔(dān)的地震力。

2）本工程由于需要采用鋁膜板施工工藝，同時為了減少二次結(jié)構(gòu)施工帶來的不便和工期加長，需要結(jié)構(gòu)專業(yè)配合實現(xiàn)外圍窗洞下墻體也做全現(xiàn)澆的方案。為此結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對這些墻體與結(jié)構(gòu)主體剪力墻連接處進行了特殊處理，措施為墻體一側(cè)和下方分別設(shè)置30mm厚擠塑板，盡量減少此部分增加的現(xiàn)澆墻體對結(jié)構(gòu)整體剛度和受力的影響。

3 配筋設(shè)計

3.1 邊緣構(gòu)件的配筋

高層住宅的含鋼量主要由剪力墻的用鋼量控制，其中邊緣構(gòu)件的配筋量又占比很大。本工程顧問咨詢公司依據(jù) 《高層建筑與混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表7.2.14規(guī)定，因本結(jié)構(gòu)嵌固端取在基礎(chǔ)頂，故建議各樓層均按-2層各墻肢的軸壓比＜0.2時，對應(yīng)墻體從上到下均設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，但筆者認為規(guī)范規(guī)定的本意是建立在墻肢底部加強部位截面厚度不發(fā)生變化基礎(chǔ)上的。而本工程地下室墻在正負零以下厚度變?yōu)?50mm，同時地下二層為滿足人防工程需要，還額外增設(shè)了部分鋼筋混凝土墻體，且外圍墻體大都不設(shè)洞口，所以軸壓比在首層與地下層產(chǎn)生了突變，又由于首層軸壓比普遍＞0.2，考慮到首層對上部結(jié)構(gòu)存在的實際嵌固作用，其為結(jié)構(gòu)重要部位，經(jīng)過與優(yōu)化咨詢?nèi)藛T進行討論，最終認可本工程結(jié)合首層墻肢的軸壓比來判斷結(jié)構(gòu)底部加強部位是否按約束邊緣構(gòu)件進行配筋設(shè)計。

3.2 短肢剪力墻的配筋

本工程由于建筑使用功能需要，個別剪力墻布置為短肢墻，顧問咨詢方起初建議此類墻體按照一般構(gòu)件進行配筋，卻忽略了 《高層建筑與混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》7.2.2條對短肢墻的配筋構(gòu)造要求。經(jīng)過溝通對方同意按照規(guī)范要求進行設(shè)計配筋?？梢娮鳛樵O(shè)計人員應(yīng)熟悉規(guī)范，加強理解應(yīng)用，對于顧問方提出的一些建議應(yīng)進行分析判斷，不能盲目接受。

4 關(guān)鍵受力部位的加強措施

本工程左右兩個單元通過設(shè)置連廊相連，作為平面的凹凸位置，此處樓板傳力明顯不直接，從結(jié)構(gòu)設(shè)計概念上判斷屬于關(guān)鍵部位、受力薄弱部位。結(jié)構(gòu)設(shè)計采取了加厚此處樓板為150mm，雙層雙向貫通配筋的方式。對支撐該處樓板的框架梁鋼筋也做了適當(dāng)加強。

5 結(jié)構(gòu)的合理選材

5.1 混凝土標(biāo)號的選取

本工程剪力墻混凝土強度等級為-2～8層C45，9～13層C40，14～18層C35，其余層C30。這樣設(shè)計有利于減小剪力墻截面，節(jié)省材料，減輕結(jié)構(gòu)自重。

5.2 高強鋼筋的應(yīng)用

本工程除人防層樓板由于人防特殊要求外，其余結(jié)構(gòu)層樓板均采用了CRB600H高強鋼筋，此種鋼筋的抗拉強度設(shè)計值fy為430MP，約是普通HRB400級鋼筋強度的1.2倍，計算結(jié)果大多數(shù)樓板為構(gòu)造配筋，比較經(jīng)濟。

6 結(jié)語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的本質(zhì)是在首先滿足結(jié)構(gòu)安全以及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的前提下進行合理地設(shè)計，充分發(fā)揮材料性能，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。對顧問咨詢方提出的優(yōu)化建議，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)分析其合理與否。