1、高层剪力墙住宅结构优化设计【摘要】随着城市化进程的加快，高层建筑越来越多，在当下经济环境下，要实现建筑效能的最大化发挥，在其结构设计中，必须打破常规，采用空间布置法，实行结构转换层，而出于经济因素分析，剪力墙结构则是进行高层住宅设计的首选。 【关键字】高层、剪力墙、住宅结构、优化设计 中图分类号：TU97 文献标识码： A 引言 近年国家对各地区的结构抗震性能要求逐渐提高，人们对住宅使用功能要求越来越高，以及房地产开发单位对项目造价的严格控制。由于框架结构和框架剪力墙结构中框架柱截面较大对建筑使用功能存在较大的影响。在一般高层房屋住宅建筑结构选材和结构形式上有了严格的要求，即高层住宅中混凝土剪
2、力墙结构得到充分利用并受到人们的越来越多的关注。 二、高层住宅混凝土剪力墙布置方式、经济分析、优势分析 1、高层住宅结构设计中剪力墙布置方式 剪力墙结构一般都是应用于超高建筑和高层建筑，而在高层建筑结构中，结构位移是结构设计的一个主要指标。其中包括层间位移比和竖向层间位移角。另外，伴随着住宅建筑高度的不断的增加，水平的荷载作用效应起主要控制作用。而剪力墙在平面内有很大侧移刚度，所以剪力墙是承载着来自高层建筑的绝大部分的水平作用和水平剪力。 在超高层建筑和高层建筑结构设计中，通过调整结构的侧向刚度来控制结构位移和层间位移角，而通过调整结构的扭转刚度来控制结构的扭转位移。剪力墙结构体系中结构的侧向
3、刚度大小是可以通过剪力墙的截面来控制，例如剪力墙布置较多时，相对应的侧向刚度大；剪力墙布置较少时相对应的侧向刚度相对较小。另外通过剪力墙在建筑平面中的布置位置调整，可以控制剪力墙的扭转刚度从而达到控制结构扭转。结构的整体稳定、承载能力和刚度以及经济合理性的一种宏观控制。假如剪力墙体在高层建筑物中有比较合理的截面和平面布置，就会形成一个能够很好的抵抗墙体水平力的结构体系，此时还能够有效的分割空间，最大限度的满足建筑使用功能。 2、高层剪力墙结构的经济分析 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，采用现浇剪力墙结构可将承重墙减少，比较经济。剪力墙外观整齐，没有
4、露梁、露柱现象，便于室内布置。另外，剪力墙结构的抗侧刚度大，结构周期小。在结构设计中应保证剪力墙结构满足国家规范关于结构水平位移和地震力的要求，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的范围内，然后检查结构的内力和配筋。 3、剪力墙结构设计应用于高层住宅的优势分析 在现代建筑设计中，必须考虑到建筑质量、建筑安全、建筑经济效益等，剪力墙结构作为经济性价比最高的设计方式，被广泛应用到高层住宅建筑设计中，而从其结构设计分析来看，其具有一定的优势：抗震性、减压力是衡量高层建筑质量的关键性标准，而结构布置对建筑抗震性产生重要影响。在高层住宅中，分隔墙较多、开间
5、较小，这就要求具有轻质的材料应用，而剪力墙结构是一个局部概念，可有效降低承载墙的数量，这就减少了建筑压力，同时减少了建筑用材，具有经济性。从剪力墙外观设计来看，其设计整齐、没有露梁和漏柱，这就保证了建筑施工的美观性，也便于室内装修。由此看来，建筑设计处于实现其经济原则、安全因素、美观原则的需要，采用剪力墙结构进行设计具有优势性。 三、高层住宅剪力墙结构的优化设计 实现高层住宅的抗震能力、安全性是剪力墙结构设计的根本出发点，在设计中，剪力墙结构的含钢量、材质、各部位的转接与承和，支持建筑的梁、柱等都是保证建筑安全的因素。 从整体上看，刚度控制与材料选择是进行建筑安全性控制的关键点。其一，增强墙量
6、与刚度。一般来说，高层住宅占用空间较大，其本身具有自身负载较大，在设计中，考虑到整体建筑结构，一般会采用框支剪力墙结构，其要求框架侧移曲线成剪切型，剪力墙的侧移曲线弯曲，这就要求在设计过程中，要进行两者力度的协调，在建筑周边均匀布置剪力墙，若平面形状变化较大，则在凸起部分进行剪力墙结构设计，如进行 T 型、L 型的剪力墙结构设计，以实现建筑刚性的增加。其二，科学选用抗震材料。依据建筑地层和建筑层次进行材料选用，如在建筑层升高的情况下，混凝土强度等级为 C45-C30，剪力墙的厚度为 450mm-300mm，在现阶段我国一般采用型钢混凝土，这就有效控制了转换断层面，而其强度高于单纯的混凝土，这就
7、提升了构件的受压力和承载力，有效实现了建筑抗震能力的提升。具体来看，在高层住宅剪力墙结构设计中，要准确把握住影响建筑安全性的各个因素，合理计算建筑设计经济性，按照标准进行建筑设计。 1、转换层设计 随着建筑功能的变化，建筑上下结构的使用功能也发生变化，在实现建筑结构变化中，要注意建筑转换层结构的设计。当前常用的转换层有厚板转换层、巨型梁转换等，而无论采用何种转换层设计方式，都要通过强转换弱上部、强柱弱梁的设计来实现建筑的抗震性。具体来看，其一，进行转换层自身重量控制。采用梁系转换的方式来进行厚板厚度控制和转换层质量控制，一部分采用厚板材料，一部分采用薄板，这就相对减轻了转换层自重，这有利于实现
8、建筑经济投入的降低。其二，进行刚度控制。高位转换时，转换层的刚度逐渐提升，这就要求调整转换层上下部分的刚性比，通过空间分析的方式，来确定水平作用力下的层间位移角，采用参与组合的振型数进行结构分析，如在设计时，采用部分封底的方式，来实现空间承载力控制，并将转换层上下楼板控制在200mm，而在一些箱型转换层中，则进行箱内挖空，提升挖空率的方式，来进行转换层质量和刚性控制。其三，进行转接控制。在转换梁与中筒连接设计中，要把钢筋混凝土柱连接在转接范围内的筒体处，加强连接，以防止地震时脱节现象的发生。 2、结构措施 在剪力墙结构中，建筑层次对其影响巨大，而上部剪力墙设计中的刚度、质量、抗震力等对下层产生
9、重要影响，这就要求以有效的方式，进行上部剪力墙结构设计优化。 其一，减少混凝土使用量，减轻上层结构自重。在满足质量要求、楼板厚度和计算跨度比值、防火与设计管线要求的情况下，将上层楼板厚度进行控制为 100mm，这既能够降低混凝土资源消耗，又能够减轻上部剪力墙的自重。在开间扩大剪力墙距离的标准下，以轻质隔墙代替一部分墙，采用梁柱代替楼板，在隔墙处进行梁柱设计，这既有利于提升可用空间，又能减轻质量，但在其设计中，由于建筑开间和建筑进深度较小，梁宽与隔墙具有相等厚度，再设计时，要避免露梁。 其二,抗震设计。进行纵向布置：转化层的上下等效侧向刚度比例一般在 1.1-1.5 之间，接近 1.1，不得大于
10、 1.5，要强化下部，弱化上部，尽量防止薄弱层的出现，并通过计算分析，来确定可能存在的薄弱部位，通过分力分配特点研究，进行内力和构建配筋设计调整；尽量实现剪力墙落地，必要处采用 L、T 型结构设计；上部剪力墙厚度要降低，底层厚度要加大，如转换层以下剪力墙的厚度为 250mm，上部为 200mm，这对基层稳定，增强建筑抗震性具有重要作用。再就是，在进行 T、L 或十字型结构设计中，需要注意的是，对于小开口墙体配筋时，仅在洞口两侧配置构造边缘构件，而当腹板与冀缘不匹配时，则可适度放宽对冀缘边缘构件的要求，而在十字墙交叉部位也仅仅按照构件要求进行暗柱设计；剪力墙顶部要设置暗梁，且高度为 400-50
11、0mm，并按照结构要求进行纵筋和箍筋配置，底部剪力墙设计时，尽量不要开洞，若必须开洞，则开小洞，并用轻质物质进行填充，以保持剪力墙的刚度。 四、结束语 结构优化设计需要建筑设计全过程实施，并应与各专业设计人员密切配合。结构优化的目的不是不分轻重地都按规范或计算的底限进行设计，而是“物尽其用” ，充分发挥材料性能。对影响结构性能的重点、关键部位及计算程序不能准确分析，或计算模型与实际情况有出入的部分，应采取措施重点加强或补充分析，做到有的放矢，突出重点。保证建筑结构设计安全、适用、经济、美观的设计优化目标得以实现。 参考文献： 1 现行建筑设计规范大全M.北京：中国建筑工业出版社，2011. 2 徐传亮，光军. 建筑结构设计优化及实例M.北京： 中国建筑工业出版社，2012. 3 傅学怡. 实用高层建筑结构设计 M.北京：中国工业出版社，2010.
