高层框架剪力墙结构优化设计

高层框架剪力墙结构优化设计

李卫平

深圳市国腾建筑设计咨询有限公司广州分公司

【摘要】本文主要针对高层框架剪力墙结构的优化设计展开了探讨，分别对建筑方案、结构总体及细部结构三个方面的优化设计作了详细的阐述和系统的分析，以期能为有关方面的需要提供参考和借鉴。

【关键词】剪力墙结构；优化设计；概念设计

0引言

所谓的剪力墙结构，是用钢筋混凝土墙板来代替框架结构中的梁柱，起到了能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构水平力的作用，是建筑工程中的重要结构。因此，我们需要做好对剪力墙结构的优化设计工作，以为建筑的施工带来帮助，从而保障工程建设的施工质量。

1建筑方案优化设计

建筑方案设计是优化设计的第一步，也是关键阶段，好的方案直接决定了整个建筑的总成本。一些建筑设计人员为了追求立面的立体效果，在立面处理中采用大的凸出和收进，特别是阶梯型的凸出。由于不能采用大的悬挑来承担竖向荷载，因此结构上只能布置剪力墙来承担竖向荷载，使得剪力墙的间距过密、过多。这种原本2～3个开间布置一道剪力墙，墙与墙之间采用框架梁连接就能满足计算要求的结构方案，因为为了满足建筑立面效果的要求，不得不在每个开间都布置剪力墙，因此增加了剪力墙的用量，相应的总成本也会提高。图1为1栋7度区13层的剪力墙结构住宅，由于立面上从两端往中间呈现阶梯型，所以每个开间的端部都需布置剪力墙。

现在的一些业主和建筑设计人员为了充分考虑地形的要求，或者利用最大化，往往将建筑的长宽比设计过大，结果使得结构刚度偏弱，相对于较小长宽比的建筑，单位面积上的剪力墙数量就会增大。而且不论其是否超长，由于两主轴方向的动力特性(也即整体刚度)相差甚远，在水平力作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均匀。对于平面长柔的建筑，其抗扭能力也降低，因此，为了满足规范计算要求，也必要增加剪力墙的数量。

2结构总体优化设计

钢筋混凝土剪力墙结构的剪力墙布置是结构方案设计的关键内容，也是结构优化设计的主要内容，直接关系到整个结构的总体造价。在方案阶段，剪力墙的布置主要包括两个方面的内容:一是剪力墙的位置；二是剪力墙的数量。剪力墙的位置直接影响到整个结构的扭转情况，而结构的抗扭承载力与结构的抗剪承载力之间是相互影响的，扭矩大则抗剪承载力小，反之则相反。为了减少结构扭转对结构的不利影响，在剪力墙布置时，必须按照均匀、分散、周边及对称的原则。A级高度的剪力墙结构在满足第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.9的条件下，尽量减少比值，也就减少了扭转对结构的不利影响，这样可以使得整体结构的抗剪承载力比较高，即抵抗水平地震作用的能力较高。

剪力墙的数量决定了整体结构的抗侧移刚度，我国规范采用层间位移角来反映结构的抗侧移刚度的大小。剪力墙的数量多，则结构的整体抗侧移刚度大，对结构抗震利，但是对结构的成本控制不利。由于结构的刚度大，结构的基本周期就变短，目前高层建筑的自振周期都在Tg～6s之间，此区段，结构的地震作用影响系数随结构的周期的增大而变小，即周期短，地震作用影响系数就大，地震作用也大，但不成比例关系。所以剪力墙的数量，在满足层间位移角限值以及其他规范要求的前提条件下，不宜多加，一般稍小于1/1000即可，因为除了剪力墙数量的增加本身而引起的配筋量的增加外，增加的地震作用则需要更多的钢筋来抵抗，自然就会增加整体结构的成本。

3细部结构的优化设计

3.1连梁的设计

连梁是指跨高比小于5的强平面内的梁，其对竖向荷载作用不敏感，对水平荷载作用十分敏感，作为墙平面内墙体与墙体的连接构件，其截面尺寸的大小不仅对本身，而对与之相连的墙肢的受力都有极大的影响，从而直接影响到结构的用钢量。高连梁由于其刚度大，与其相连的墙肢的配筋相应会增加较多，随即带来整个结构的配筋量增加。如图2所示，某7度区剪力墙结构底层角部剪力墙部分的计算配筋，底层层高3.5m，窗洞尺寸为1500mm×1800mm，采用700mm和1700mm两种高度的连梁尺寸来比较剪力墙墙体的用钢量，仅考虑墙肢受力钢筋和分布钢筋的用钢量，计算结果表明，700mm高连梁的墙体总用钢量比1700mm高连梁的用钢量少0.004m3，如果加上因为连梁截面尺寸增加而增加的配筋量，总体用钢量将增加更多。因此，设计时，尽量使连梁的跨高比接近规范规定的要求，以减小墙肢的刚度。对于门窗顶至上层楼面结构的结构标高相差较大，宜采用洞口顶加过梁的布置方式，过梁与连梁间的洞口可用砌体填充封堵。这样既减小了连梁以及和连梁相连墙肢的配筋，又有很好的耗能能力。

3.2墙肢的形状及尺寸

剪力墙的形状和尺寸对整个结构钢筋用量很大的影响。首先避免使用短肢剪力墙，因为短肢剪力墙抗震等级要提高一级，其纵筋的配筋量和配箍率都是按照约束边缘构件来计算，其实际的配筋量很大。同样，“一”字型抗震墙也尽量避免，这类墙体由于截面有效高度小，平面外的刚度小，不利于抗弯和抗裂验算，其配筋量一般都较大。

3.3约束边缘构件阴影部分的长度考虑

在设计约束边缘构件时，其约束构件的范围lC和沿着约束边缘构件主肢的阴影部分长度ls一般不相等，两者之间都有一定的差值l，如图3所示，根据具体的情况，其差值l或大或小，由于阴影部分是核心部分，配筋要求较高。其纵筋配筋率和体积配箍率都明显大于非阴影部分，所以在配筋时，需根据实际的lS长度来配置纵筋和箍筋，不能人为地增加lS的长度与lC平齐，否则会增加墙肢钢筋的用量。

3.4墙肢的分布配筋

剪力墙在轴向力和弯矩共同作用下，一般分为偏心受压和大偏心受拉两类情况。根据截面受压区的高度不同，偏心受压又分为大偏心受压和小偏心受压，对于大偏心受压情况，根据平截面假定，计算配筋时，假定在1.5倍混凝土受压高度范围以外的受拉竖向分布钢筋达到屈服极限并参与受力，在1.5倍混凝土受压高度范围内的钢筋未达到屈服极限或受压，均不参与受力计算。对于小偏心受压剪力墙，在计算过程中，均不考虑竖向分布钢筋的作用。而对于大偏心受拉情况，计算时也没有考虑1.5倍混凝土受压高度范围内竖向分布钢筋的作用。目前我国常用结构设计软件PKPM中也没有考虑竖向分布钢筋的影响，其竖向钢筋的表达方式如图4所示。而且竖向分布钢筋水平方向仅靠稀少的拉筋连接，在竖向荷载作用下，并不能保证分布钢筋受压屈服。因此，综合上述分析，目前我国的剪力墙结构在设计时，由于没有考虑部分或全部竖向分布钢筋的作用，是偏安全的，故在对剪力墙结构进行配近时，除了满足计算要求和规范规定的竖向分布钢筋的配筋率在一、二、三级抗震时不应小于0.25%，四级和非抗震设计时不应小于0.2%要求外，一般不用放大墙体的分布钢筋配筋量。

图4剪力墙计算配筋图

3.5墙肢边缘构件配筋

剪力墙边缘构件的配筋情况是关系到用钢量的一个重要因素，其中箍筋(或拉筋)的用钢量对边缘构件用钢量的贡献很大，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)7.2.15.1条的规定，可计入箍筋、拉筋以及符合构造要求的水平分布钢筋，计入的水平分布钢筋的体积配筋率不应大于总体积配箍率的30%，这一点往往会被部分结构设计人员所忽略，因此造成边缘构件箍筋的浪费。

4结语

剪力墙结构在建筑中有着十分重要的作用，因此，做好剪力墙结构的优化设计工作显得尤为关键。我们需要重视建筑方案、结构总体及细部结构三个方面的优化设计工作，以保障剪力墙的顺利施工。综上所述，本文就高层框架剪力墙结构的优化设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。

参考文献

[1]史宝柱.高层建筑框架剪力墙结构优化设计探究[J].建筑工程技术与设计.2014（06）.

[2]李中国.框架剪力墙高层建筑结构优化设计研究[J].城市建筑.2013（14）.