有關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的思考

周秀巖

摘要：高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用，如何在滿(mǎn)足規(guī)范要求各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的前提下優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低工程造價(jià)。

關(guān)鍵詞：剪力墻;剪力墻結(jié)構(gòu);建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，城市土地愈加緊張，住宅類(lèi)建筑向高層及超高層發(fā)展已成趨勢(shì)。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，特別是在量大面廣的高層住宅中被廣泛應(yīng)用。本人在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，同一建筑方案，不同的剪力墻布置對(duì)混凝土用量及鋼材量的影響差異明顯，對(duì)工程本身的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響巨大。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概述

剪力墻（shear wall）又稱(chēng)抗風(fēng)墻、抗震墻或結(jié)構(gòu)墻。剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻板來(lái)代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類(lèi)荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)水平力的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)在高層房屋中被大量運(yùn)用。結(jié)構(gòu)墻的高度一般與整個(gè)房屋的高度相等;其寬度一般為幾米到十幾米。相對(duì)而言，它的厚度則很薄，僅為200～300mm。因此，結(jié)構(gòu)墻在其墻身平面內(nèi)的抗側(cè)移剛度很大，而其墻身平面外剛度卻很小。所以，建筑物上大部分的水平作用或水平剪力通常被分配到結(jié)構(gòu)墻上，這也是剪力墻名稱(chēng)的由來(lái)。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)和工程案例下面從墻肢布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值、性能控制指標(biāo)（ 如位移角） 三個(gè)方面討論在建筑工程設(shè)計(jì)中如何優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為更多的設(shè)計(jì)者打開(kāi)思路

2.1 平面布置原則

墻肢布置的優(yōu)劣直接從宏觀上影響整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此優(yōu)化布置是進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。剪力墻布置宜遵循如下原則。

2.1.1 墻肢均勻布置

剪力墻構(gòu)件作為高層剪力墻結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)移構(gòu)件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮墻肢間的聯(lián)動(dòng)效用。因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，同一方向的墻肢宜均勻布置，在平面上形成多道聯(lián)肢剪力墻協(xié)同工作，盡量避免剪力墻錯(cuò)位布置?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)加強(qiáng)周邊剪力墻以及外圈梁，調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度中心與結(jié)構(gòu)平面幾何形心、質(zhì)量中心的相對(duì)位置，盡量做到“三心”重合的理想效果。

2.1.2 避免使用短肢剪力墻或長(zhǎng)墻

由于短肢剪力墻的延性較差，且構(gòu)造要求高，鋼筋用量較大，結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)避免使用短肢剪力墻。墻肢長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，剛度過(guò)大，會(huì)造成地震力比較集中。剪力墻結(jié)構(gòu)中如果存在少量長(zhǎng)墻，地震作用下的樓層剪力主要由這部分長(zhǎng)墻承受，發(fā)生超烈度地震時(shí)該部分墻肢由于承受巨大的地震力往往首先破壞，由于其他墻肢的承載力較弱，容易造成剪力墻墻肢由強(qiáng)到弱各個(gè)擊破的破壞形式，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。因此，進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜使各墻肢剛度接近，盡量避免使用長(zhǎng)墻。

2.1.3 優(yōu)先采用帶翼緣墻

L 形、T 形的剪力墻因墻肢端部的翼墻起到扶壁作用，穩(wěn)定性較好，同時(shí)也比較容易滿(mǎn)足框架梁搭接在剪力墻端部時(shí)鋼筋的錨固長(zhǎng)度要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜優(yōu)先采用。L 形、T 形墻的翼墻長(zhǎng)度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼墻長(zhǎng)度越短，則配筋越少。

2.2 計(jì)算參數(shù)的敏感性

對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋用量敏感的參數(shù)包括： 周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、梁剛度增大系數(shù)、考慮壓筋影響的梁配筋計(jì)算、考慮樓板作為翼緣的梁配筋計(jì)算、樓板計(jì)算假定、次梁的抗震等級(jí)等。限于篇幅，以下選取周期折減系數(shù)和樓板計(jì)算假定進(jìn)行分析。

2.2.1 周期折減系數(shù)

周期折減系數(shù)不影響結(jié)構(gòu)剛度，但影響結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)大小。周期折減系數(shù)可通過(guò)軟件計(jì)算得到，如采用 GSSAP 軟件分別計(jì)算有填充墻模型和無(wú)填充墻模型的第一周期，以這兩個(gè)周期的比值作為折減依據(jù)。

某 12 層剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)填充墻比較多，計(jì)算得到的周期折減系數(shù)為0. 95。某 32 層剪力墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)填充墻比較少，計(jì)算得到的周期折減系數(shù)為 1. 0。

工程實(shí)踐表明，周期折減系數(shù)每下降 0. 1，基底地震剪力增加 3% ～ 10% ，地震力的增大將會(huì)導(dǎo)致配筋增大。因此，周期折減系數(shù)應(yīng)慎重選取，一般剪力墻住宅結(jié)構(gòu)可取 0. 95。也可通過(guò)計(jì)算結(jié)構(gòu)（ 考慮填充墻剛度） 的基本周期來(lái)確定。

2.2.2 樓板計(jì)算假定

在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，一般情況下樓板可采用剛性板或彈性板假定。剛性板假定下可通過(guò)梁剛度放大系數(shù)考慮樓板的剛度貢獻(xiàn)，而彈性板假定下，樓板與梁共同工作，較真實(shí)地考慮了樓板面外剛度的貢獻(xiàn)。采用不同的樓板假定所計(jì)算得到的梁板內(nèi)力分配不同，從而梁板的計(jì)算配筋也不同。

某 32 層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖略，樓板分別采用剛性板（ 中梁剛度放大系數(shù)取 1. 8） 和彈性板（ 殼元） 假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)構(gòu)第一周期分別是 2. 784s 和 3. 025s，可見(jiàn)，基于彈性板假定的結(jié)構(gòu)整體剛度比剛性板假定大，基于彈性板假定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)比基于剛性板假定要節(jié)省鋼材，每平方米梁鋼筋用量減少約 2kg。

2.3 不同層間位移角的材料用量比較

某品字形高層住宅，結(jié)構(gòu)總高度為 97. 5m，地下1 層，地上 32 層，首層層高 4. 5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高 3m。本工程位于 7 度區(qū)，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本風(fēng)壓 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度為 B 類(lèi)。通過(guò)修改抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和局部調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使得結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的最大層間位移 角 分 別 滿(mǎn) 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求。

由表 2 可知，層間位移角按 1 /1 300 的限值控制的鋼筋用量最少，層間位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少?？梢?jiàn)，結(jié)構(gòu)剛度越大，剪力墻用鋼量越大，梁用鋼量越小，但混凝土用量越大。比較材料總造價(jià)，則層間位移角限值越大越節(jié)省材料用量; 若執(zhí)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（ JGJ 3—2010） （ 簡(jiǎn)稱(chēng)高規(guī)） ，則層間位移角接近1 /1 000 限值時(shí)材料用量最節(jié)省。

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，在整體的工程建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻結(jié)構(gòu)擁有著非常重要的作用。作為一名結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者，如何在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立足，如何執(zhí)行好國(guó)家各項(xiàng)設(shè)計(jì)規(guī)范，如何保證結(jié)構(gòu)安全的前提下使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。是值得我們進(jìn)一步思考的。

參考文獻(xiàn)：

[1]張修廣，馮學(xué)剛.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].居業(yè)，2019（02）：53.

[2]常鵬.淺談剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].四川水泥，2019（02）：134.

[3]陸濤.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響分析[J].工程技術(shù)研究，2019，4（13）：171-172.

[4]周文華.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].江西建材，2017（07）：26-27.