剪力墙结构优化设计与经济分析论文

剪力墙结构优化设计与经济分析摘要：在高层建筑结构设计中，剪力墙结构体系因具有整体性好、刚度大、侧向变形小、抗风与抗震性能好等特点，因而在高层建筑特别是住宅建筑中被大量采用。

本文笔者根据多年来的工程设计实践，重点对高层建筑剪力墙结构优化设计处理方法进行阐述，以提高建筑产品的性价此、降低工程造价的设计要求，可供设计人员在设计时参考。

关键词：剪力墙目录控制参数结构设计高层建筑经济分析
1、前言
随着我国城市化建设进程的加快，人们对住宅，特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高，高层住宅建筑大量采用了剪力墙结构。

它相对于框架结构更为简洁、宽敞，使用功能更好，为住户的自行改造增大了灵活性，加大了使用面积，因此，在高层剪力墙结构设计中，既要发挥这种结构体系的优点，又要改进其工程费用较高的缺点，降低高层建筑剪力墙结构的造价和材料消耗量，这是考核结构设计水平的重要指标。

本文根据笔者多年来的工程设计实践，探讨了使高层建筑剪力墙结构设计更经济的措施。

2、高层建筑目标控制参数
高层设计的难点在于竖向承重构件（柱、剪力墙等）的合理布置，设计过程中控制的目标参数主要有如下七个：
2.1 轴压比
主要为限制结构的轴压比，保证结构的延性要求，轴压比不满
足
要求，结构的延性要求无法保证；轴压比过小，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少相应墙、柱的截面面积。

2.2 剪重比
主要为限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构的安全。

这个要求如同最小配筋率的要求，算出来的水平地震剪力如果达不到规范的最低要求，就要人为提高，并按这个最低要求完成后续的计算。

2.3 刚度比
主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。

2.4 位移比
主要为限制结构平面布置的不规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。

2.5 周期比
主要为限制结构的抗扭刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响。

周期比不满足要求，说明结构的抗扭刚度相对于侧移刚度较小，扭转效应过大，结构抗侧力构件布置不合理。

2.6 刚重比
主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。

刚重比不满足要求，说明结
构的刚度相对于重力荷载过小；但刚重比过分大，则说明结构的经济技术指标较差，宜适当减少墙、柱等竖向构件的截面面积。

2.7 层间受剪承载力比
主要为限制结构竖向布置的不规则性，避免楼层抗侧力结构的受剪承载能力沿竖向突变，形成薄弱层。

3、高层建筑剪力墙结构优化设计分析
3．1高层剪力墙住宅的结构设计的经济分析
(1)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，可将承重墙减少，比较经济。

另外，剪力墙外观整齐，没有露梁、露柱现象，便于室内布置，因此在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。

(2)剪力墙结构设计中应注意的问题。

剪力墙结构的坑侧刚度大，结构周期小，地震响应大；剪力墙结构墙体越多，建筑物的重量越大，地震反应也大，会造成浪费；另外，剪力墙结构墙体多为构造配筋，如果配筋太低，则结构延性差。

刚度较大的结构一般震害较轻，但是，一般情况下，建筑物的刚度越大，工程费用越高。

因此，剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求，但如果要做到安全适用，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范围内，然后检查结构的内力和配筋。

3.2剪力墙结构构件的合适含钢量
在以结构设计规范为依据的实际情况中对某高层剪力墙住宅楼
的结构计算作整体分析，同时从结构含钢量的角度作具体分析，从而优化其结构设计。

3.2.1现行规范对钢筋混凝土构件给出了最小含钢量
(1)剪力墙端部加强区关于暗柱、端柱、翼柱的构造配筋要求；
(2)剪力墙分布钢筋的配筋要求；
(3)连梁的配筋要求；
3.2.2因混凝土为泵送商品混凝土，水灰比大，收缩率较大
为满足要求并根据实际情况，高层建筑合适的含钢量见下表 1：种类受力纵钢筋
% 非受力纵筋% 箍筋
梁 0.6～1.5 0.3 0.25～0.4（1）
柱
（包括暗柱）0.5～1.5 0.812（2）
墙 0.35～0.5 0.35～0.5
板 0.35～0.6 0.35～0.6
表1高层建筑合适的含钢量
3.3优化结构设计，降低工程造价
(1)优化结构设计，使结构受力均衡，技术应用得当，整体安全可靠度一致，任一结构都能同时发挥其最大作用，这样设计出的结构才能达到既经济，又合理的目的。

从结构设计整体布局来看，在水平荷载作用下，剪力墙的暗柱配筋往往是构造配筋，暗柱断面的确定与剪力墙的布置有密切的关
系，而构造配筋与暗柱断面又有着一一对应关系。

由于剪力墙布置的差异，一片剪力墙两端暗柱的断面可能差6倍～10倍。

配筋也相应差6倍～l0倍。

而剪力墙在不同方向的水平荷载作用下是具有对称性的。

这样设计出的结构就会造成极大的浪费，因此，首先调整剪力墙的布置，尽可能使之对称这样即节省了造价，又增加了结构安全性。

(2)造成结构浪费往往是由于设计人对某种结构概念理解不透
而导致的。

例如：某18层综合楼，由内简外框组成结构。

外框柱距7.2m，外框与内简距离9 m设计人员将外框边梁做成lo00mm×750mm，目的是增加边梁的抗剪能力，引入剪力滞后的概念，加大外框结构的刚度。

实际上，该工程由于外框柱距 7.2mm，很难产生剪力滞后效应，边梁采用lo00mm×750mm与采用350mm×750mm对外框的变形是相同的，不会增加结构的刚度，反而会因为增加重量，加大结构自身的负担，对结构不利。

设计人员如果不能准确把握结构概念，就会造成浪费。

4、应用实例分析
4.1工程概况
本工程位于湖南常德市，所在住宅小区总建筑面积达50万m2，与本工程类似的住宅楼近二十多栋。

如果通过对一栋楼进行结构设计分析，找到其中可优化改进的地方，就可使结构设计得到部分的优化、提高建筑产品的性价比、降低单价造价和整个小区的工程造价。

进行结构设计分析的住宅楼为地下一层，地上三十层的纯剪力墙结构。

总建筑面积约1.49万m2，地下一层为车库，层高均为4.6m，首层架空，层高5.0m；二层及以上层为住宅，层高为3.0m。

建筑类别为丙类。

ii类场地。

4.2结构整体计算
4.2.1整体计算结构
结构自振周期(取前三个振型)见表2
振型号周期（s）平动系数扭转系数
1 2.391
2 0.96 0.04
2 2.2316 0.96 0.04
3 2.0412 0.08 0.92
表2结构自振周期参数
4.2.2结构整体合理性判断
(1)楼层最小剪重比大于规范容许的“楼层最小地震剪力系数值”较多，结构整体布置还有可优化的空间。

(2)结构平均重量：13.6kn/m2，合理。

作用方向 x y
楼层最小剪重比 2.46% 2.51%
有效质量系数95.59% 94.49%
标准层面积474 m2
总重标准值42998
楼层最大层间位移与该楼层平均值的最大值 1.29 1.28
楼层最大水平位移与该楼层平均值的最大比值 1.22 1.26 楼层层间最大位移与层高之比的最大值1/1206 1/1350
底部地震剪力（kn）4384 4868
表3主要控制参数
(3)自振周期：参照(t1－(0.05～0.08)n=1.5～2.4s)，周期在合理范围内。

(4)x方向楼层最大层间(水平)位移与该楼层平均值的最大比值为1.29，在规范许可范围内。

4.3剪力墙及连梁钢筋用量分析
墙厚根据规范及工程层数，层高情况取值如下：首层及地下层350mm，二～八层及以上墙250mm，其余墙200mm。

设计配筋采用的为包括配筋法。

从节省造价角度考虑，可从以下方面适度调减钢筋：(1)暗柱、连梁等处构件根据计算结构按构造要求配筋(不包括局部按计算配筋的)，其中，墙体分布筋基本与规范最小配筋及其它构造要求相吻合；(2)地下室外墙水平分布筋为φ14@200(二级)。

4.4楼板钢筋用量分析
考虑电气埋管要求楼板厚度最小取100 mm。

大房间根据板跨，考虑轻质隔墙荷载分别取120 mm几种。

楼板采用弹性计算。

采用的是普通的三级钢筋，楼板配筋大部分为φ8@200，配筋率0.025％；较合理。

5、结束语
高层建筑剪力墙的经济性设计受结构布置和剪力墙的形式、剪力墙的厚度、配筋率、结构自重及刚度等多种因素的制约。

因此，在进行高层建筑剪力墙结构设计时，高度重视影响结构技术经济的因素，考虑综合效益，以达到降低工程造价和材料消耗量的目的，取得更加科学、合理、经济的设计结果。

参考文献
[1]高层建筑混凝土结构技术规程．[s]北京：中国建筑工业出版社，2002．
[2]建筑抗震设计规范．[s]北京：中国建筑工业出版社，2001．
注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。