高层住宅剪力墙结构优化设计

高层住宅剪力墙结构优化设计

王臻

（太原市建筑设计研究院山西太原030002）

【摘要】剪力墙结构是民用高层建筑的主要形式，因此高层建筑剪力墙设计不仅要满足结构安全、材料用量少等一系列要求,还应做到结构体系受力合理、功能适用。那么剪力墙的结构优化就是剪力墙设计的重点,其目的不仅仅是达到体积最小或者重量最轻,更重要的是要达到一种资源合理的优化配置。本文就是从剪力墙的特点，设计理论和方法，优化设计几个方面来进行分析。

【关键词】剪力墙；结构特点；优化设计；高层建筑

【中图分类号】TU398【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2017）06-0010-02

1.概述

现如今我国高层住宅基本都是钢筋混凝土结构，而剪力墙结构在其中又占有重要的比例，那么在整个建造过程中剪力墙的合理优化将会降低工程造价。那么我们就应当清楚剪力墙的结构特点，并根据这些特点对剪力墙做出更加合理地设计，来实现剪力墙结构在实际应用中的优化。

2.剪力墙的主要特点

在工程中由剪力墙组成的能承受竖向和水平作用力的建筑结构称为剪力墙结构，在现代建筑中剪力墙结构常用来代替框架结构中的柱，来承担竖向荷载的作用，同时又能对结构的水平地震力起到有效的抵抗作用。

剪力墙主要承受平行与墙面的水平作用力，结构优点是整体性好，刚度大，抗震性好，既能承重又能围护，受到水平作用力侧移小等优点。剪力墙的整体性好在于梁,柱等等没有外露和凸出，这便让房间更加完美，方便用户自行布置，但它的缺点在于墙体之间距离较小，无法形成大的房间，对于一些需要大空间的用户不适用，在经济效益上也没有优势。剪力墙平面内的的刚度很大，有利于结构的稳定。

3.剪力墙优化设计

3.1一般剪力墙经济指标

目前，随着我国经济快速发展，城市建设也越来越快，我国许多城市的建筑楼层也越来越高，而随着楼层的增高，建设需要投入成本越大，许多高层建筑中因为剪力墙结构造价高，高层建筑也不利于施工。例如在8度区一个30层高100的高层住宅建筑中，钢筋总用量为70kg/m2，混凝土含量为0.75m3/m2～0.90m3/m2，再加上混凝土运输，模板以及各种垂直运输设备等费用，其结构部分造价约为1500元/m2左右。其中地下部分占40%，地上部分占60%。造价相对于一般的的高层建筑每平米要高30%左右。所以由于建设单位的制约，结构抗震由于成本高而不得不降低要求，那么剪力墙结构的优化就更加的重要了。

3.2抗震优化设计

高层剪力墙结构如果底层刚度同上部刚度之间的差距较大，一旦发生地震，就会造成底部出现突出的集中变形，对剪力墙结构造成严重的破坏；但一般地震作用造成的破坏都处于底部加强区，那么在设计剪力墙结构时，我们既要考虑它的经济适用型，还应根据抗震的要求严格的控制剪力墙底部刚度与上部刚度的比例。

3.3结构设计优化

在剪力墙结构中，我们一般都是将剪力墙沿着主轴方向和其他方向双向布置，形成一个个空间。但是随着楼层的高度不同，对于剪力墙结构的要求也有所区分。例如对于20层以下的高层住宅，一般都是采用的方法是将相邻两个开间的交界墙做成砌体墙，取消剪力墙。这样既保证空间的灵活性，也起到较好的抗震性能。对于20层以上的高层建筑，使用这种方法就造成结构偏弱，结构顶点位移和层间位移不能满足规范要求，结构不安全，这时就需根据结构初算模型，为了解决其刚度需求，可以将较长的墙体通过开设结构洞或增加连梁刚度，来达到既满足计算指标，又能带来实际中的剪力墙数量减小的效果。

4.剪力墙结构方法

现在结构优化的方法主要有两种：

（1）数学规划法：通过设计一个能够适应各种工况下的目标函数，并在这过程加入如强度、刚度、稳定、温度等一系列不同的约束条件。用目标函数的变量来表示这些约束条件，从而通过数学计算评价各种设计的好坏。此方法多用于理论研究及实验室中。

（2）准则法：就是通过结构力学的原理，建立一些最优法则来处理应力、位移、平率和临界力等约束条件。它使用的结构范围更加广泛，算法更加简单。这种方法不会随着结构的复杂和变量的增加而有太大的变化，在实际应用中得到广泛运用。准则法常见的有两种：一是满应力法，它是直观准则法的一种，建立在直观的物理概念上，是最早也是最简单的优化设计方法，他首先是通过估算来建立结构的设计方案，然后通过设计各种变量，根据力学方法算出各种工况下的满足值，再将这一数值与材料的容许只进行对比，进一步改进设计方案。二是齿行法，它是在满应力法的基础上增加一种射线步，射线步冲坐标原点出发进过设计点，再沿射线方向回到约束曲线，形成一个锯齿状的图形。通过直观的图形我们跟容易找到最有点，提高设计精度。

经过大量工程实践，得出了以下几个方面：

（1）加强周围墙体的刚度，其中最有效的是加高外墙的连梁高度，可以利用外墙窗台将连梁上翻做高，且不影响建筑功能。

（2）将建筑做法仔细筛选比对，尽量减小楼层荷载，将结构上部楼层的墙截面减小，减轻上部的鞭稍效应，同时减轻结构自重，从而吸收的地震力也变小，带来的好处不言面喻。

（3）现在许多户型凹凸比较大，在设计时尽量将结构体系明确，建筑方案在Y方向设置可以连通的内墙，可以加大对这个方向的贡献，便于将两个方向的刚度平衡。

（4）严格控制短肢墙的比例，同时也利用现阶段高强混凝土的特点，可以在满足规范要求的前提下尽可能地贴近底部几层的轴压比。

（5）做好结构的试算，根据结果去掉贡献小的，也就是受力不合理的，尽量保留通长的墙肢，但是也要注意墙长不要超过8米；保留角部的墙肢，做到两个方向均衡受力。

（6）在施工图设计中，在暗柱纵筋中使用两种不同直径的钢筋，贴近配筋率，满足箍筋肢距的同时控制暗柱的配箍率，尽量贴近规范要求；控制梁的宽度，不设置大于300的梁，从而可以使用3肢箍，梁在计算模型中根据实际情况选取铰接，也可减小配筋；对楼板可以使用塑性算法，从而大大降低配筋量；基础设计中，尽量减小外挑长度，因为基础在大部分情况下是按板厚构造配筋，所以满足有限元分析的条件，尽可能的减小板的厚度；在主体结构外部的造型，尽量做成混凝土构件，因为二次结构即费时间也费人工，不利于整体的优化。

（7）桩设计时应建议甲方做场地外的破坏性试桩，从而对地勘资料的修正和打桩单位的配合比等都有参考资料，设计也可充足利用场地的特性进行，做到提高桩的承载力的充分利用；在桩平面布置时，注意在楼座的外墙可适当多布置，内部可布置稀疏一些，从概念上进行变刚度调整，从而达到满意的效果。

5.小结

随着社会经济的发展，我国一些城市为了跟好的利用现有土地资源，都采取了建设一定的高层建筑来缓解土地资源的紧张，对于这些高层住宅剪力墙结构是其重要的组成部分。高层住宅建筑之所以常使用剪力墙结构是因为剪力墙结构不仅仅具有综合性强，抗侧、抗扭刚度大，小震作用下变形小，承载能力大；合理设计的剪力墙具有良好的延性和耗能性能，大震作用下破坏程度低的特点，这也是剪力墙被广泛使用的原因。如何做到剪力墙数量适中，空间利用更加灵活，使它经济指标和结构性能达到最优、那么优化设计剪力墙结构已成为结构设计师的重要目标。

参考文献

[1]李芳，凌道胜.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报,2009.

[2]周浪.高层住宅剪力墙结构优化设计研究[D].武汉理工大学,2011.

[3]金海军.基于高层住宅混凝土剪力墙结构优化设计[J].价值工程,2012.