1、高层住宅建筑的剪力墙结构优化设计的探讨【摘要】 建筑设计的经济质量与技术质量同等重要，通过建筑结构设计优化可以提高建筑结构设计产品的品质，达到安全耐久性和经济性的统一。 【关键词】优化设计高层住宅剪力墙安全经济 中图分类号：TU97 文献标识码：A 一.前言 近年来高层住宅小区大量普及，在高层住宅的各类结构体系中，钢筋混凝土剪力墙结构从结构安全、使用功能、施工管理、设计成本多方面考虑其性价比及经济指标很好，因而成为高层住宅设计中常用的结构形式。由于其量大面广，如何正确处理技术性和经济性的关系，做到既保证结构的安全和质量，又节省投资，成为设计人员面临的挑战。贯彻于建筑结构设计的全过程的优化设计可
2、以实现这一目标。优化设计是在确保结构安全及建筑使用功能的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能，合理节约造价，将有限的材料资源配置到能充分发挥其作用的关键部位。在不降低结构安全的情况下，做到技术可行、经济合理。高层住宅建筑剪力墙体系在各个阶段的优化目标、措施和控制点如下： 二. 方案设计阶段： 方案设计阶段是结构优化设计的首要也是一个重要环节，此阶段结构设计工程师通过与建筑师应充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查不合理，为降低含钢量争取主动权，同时避免出现为
3、不合理的奇形异状增大不必要的投资。 建筑方案合理布置应尽量避免平面凹凸不规则或楼板开大洞；应控制平面长宽比；应合理设缝；应使结构刚度中心与质量中心尽量靠近以减小扭转效应；在建筑竖向应避免有过大的外挑或内收；应控制高宽比。以上几点都是增加单位面积用钢量，影响建筑造价的宏观控制因素，优化设计时应多方考虑。 在住宅平面布置时利用剪力墙的合理布置，调整平面偏心及楼层刚度，应选择合理对称、均匀的墙间距，使板、梁、墙的受力合理，以降低构件的用钢量。住宅中小开间剪力墙结构的作用不能得到充分发挥，过多剪力墙还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。 三初步设计阶段： 在
4、此阶段主要工作是优化结构布置，确定结构构件尺寸和混凝土强度等级。按符合结构实际受力状态的结构计算程序上机试算。通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，对设计进行调整优化，选出最优方案，整体控制含钢量。1.剪力墙布置优化： 在高层剪力墙住宅建筑标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约占 45%-65% ,剪力墙边缘构件用钢量约占 30% - 50%(该数据为 7 度区的统计数据，以下同)，因此剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标。剪力墙布置的基本原则是:尽量减少剪力墙数量，且各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，以期通过布置较少的抗侧力构件获得
5、满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。具体措施如下:a.强周边，弱中部原则，这样布置可以便于提高主体结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比，同时有利于建筑外墙防水。b.多均匀长墙(长度8m)，少短墙，通过加长剪力墙墙肢长度，减少剪力墙数量，使结构整体抗侧刚度增加，边缘构件数量减少，且由于墙间距拉大，增加了建筑平而布置灵活性。 c.多 L 形、T 形、十字形墙肢，少复杂形状转折在布置剪力墙时，应考虑剪力墙连续转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，减少暗柱数量及避免设置不必要的大暗柱，因墙体转折处必须设置暗柱。 d.多连续，少半框，应尽量将结构两个方向的剪力墙通过连梁或框架梁连成整体，形成贯穿整个结构宽度或
6、长度的抗风、抗震结构，避免独立墙肢或半框架墙肢出现，这有利于增加结构的整体抗侧刚度，从而以较少的剪力墙布置量来满足层间位移角限值要求。e.各墙肢轴压比宜接近：如此可避免通过连梁或框架梁来调整各墙肢的轴向变形差，使梁配筋量增大，甚至配筋困难。 2.梁板布置优化： 应选择经济合理的楼盖体系。在高层剪力墙住宅中，一般梁板的标准层单位面积含钢量约占建筑总用钢量的 35%-55% ,所以梁板布置也不容忽视。对高层住宅，荷载一般不大，楼板绝大多数均为构造配筋，板厚就决定了楼板用钢量的大小，所以楼板厚度一般按挠度、裂缝及板内设备穿管的最低要求取值，不必过厚。 楼层梁布置时，应保证梁具有简单明确的传力路径，避
7、免多重次梁、多次传力的情况。不宜设置高连梁，建筑的洞口顶可设置后浇过梁，再砌梁上填充墙;较小跨度(3.6m 以内)的板上有隔墙或开有洞口时，墙位置或洞口边可不设置梁，可在板内设置加强筋的方式予以解决，这样可降低由于设置梁而出现受力复杂或设置梁构造配筋而增加用钢量的情况。 施工图阶段： 施工图是工程设计的最终产品，是现场施工实施的技术文件，在此阶段更要考虑结构优化设计，通过与其它专业的密切配合、精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态。 1.结构建模阶段优化： a采用轻质高强材料：隔墙尽可能采用轻质墙体，以减轻荷载减小地震作用，降低基础造价。暗柱、梁、板采用高强钢筋，以减少计算配筋
8、量。 b 精心的荷载清理： 如有大量的门、窗洞口，其墙体荷载可以扣除，明确建筑使用功能以准确确定活荷载值。 2.结构调整计算阶段优化： a剪力墙的轴压比尽量接近规范限值，以减少剪力墙布置量及结构自重;在布置剪力墙时，应考虑剪力墙转折及小墙垛布置对边缘构件的影响，以避免不必要的大暗柱设置; 在仅考虑竖向荷载的情况下，各剪力墙的轴压比应基本接近，以避免通过连梁来调整各墙肢的轴向变形差;层间位移角尽量靠近规范限值 1/ 1000，这样可以减少剪力墙的设置数量。 b楼层最小剪力系数(剪重比)的调整原则：在满足短肢剪力墙承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的不超过 40的前提下尽可能少
9、布置剪力墙，以大开间剪力墙布置方案为目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近规范限值(不小于限值)。这样能够减轻结构自重，有效减小地震作用，同时降低工程造价。c若周期比、位移比不满足规范要求，可采取以下措施:1)将结构周边程序定义为连梁的梁改为框架梁或增加连梁高度，以增加结构外围刚度;2)减少结构中部剪力墙布置量及降低连梁高度以增大结构的平动周期而间接改善周期比、位移比;3)查看结构空间振型曲线，找出位移最大点，在该位置处适当增加剪力墙布置量。若层间位移角较规范限值富余较多，应适当调整梁布置及减小梁截面，将部分连接复杂的梁改为铰接梁，以降低梁刚度，从而减小地震作用，降低成本。 3
10、.结构施工图绘图阶段优化 a高层或超高层剪力墙结构楼层连梁及框架梁由于地震作用的原因，其内力及配筋随高度的变化较大，建议在画梁施工图时适当选择归并楼层数。一般按 3- 6 层归并为一层(归并时应注意梁配筋沿高度的变化，不应把配筋差别大的楼层归并到一起)，以节约钢材用量。 b 严格按计算结果及构造要求配筋：模型荷载都准确无误的情况下严格按计算结果配筋，不盲目放大，可保证结构安全。 五.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.
