高层结构剪力墙的布置优化设计
摘要：剪力墙结构由于具有广泛的适用性和良好的抗震性能，被应用于世界各地，尤其在我国的高层建筑中得到了广泛的应用。但剪力墙结构材料用量大，单位造价高，如果设计不合理势必会造成不必要的浪费，这显然不符合当今社会节约能源，降低资源消耗，保护环境的前提，也不符合开发企业利润最大化的总体目标。因此，优化建筑结构设计，节约材料，降低成本，已经成为了业界普遍关注和重视的问题。本文结合工程实例谈谈高层结构剪力墙的布置优化设计。
关键词：高层剪力墙建筑；结构设计；方案布置；优化设计
一、剪力墙的涵义
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，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构。这种结构在高层房屋中被大量运用。剪力墙截面特点是墙肢长度远大于厚度，自身平面内具有很大的刚度和承载力，平面外刚度和承载力都相对较小，墙肢属于偏心受压或偏心受拉构件。同时在剪力墙结构中，墙是一个平面构件，它除了承受沿其平面作用的水平剪力和弯矩外，还承担竖向压力；在轴力、弯矩、剪力的复合状态下工作，其受水平力作用时似一底部嵌固于基础上的悬臂深梁。在地震作用或风载下剪力墙除须满足刚度强度要求外，还必须满足非弹性变形反复循环下的延性、能量耗散和控制结构裂而不倒的要求
二、剪力墙结构方案的选择
只有当剪力墙结构施工的安全得到了保障之后，才能够在诸多的方案当中进行对比选择，并且还应考虑工程造价能够在最低限度的情况下，选取适合此高层建筑的结构形式。
针对层数较少的高层建筑，如：层数在18 层以下的高层住宅推荐采用传统的现浇剪力墙结构，因为在针对每一个墙肢进行实际压轴的计算时所取得的值会出现偏小的情况，而且墙体一般都是构造配筋，必然会使墙体的承载力不能充分的发挥出来。推荐采用短肢剪力墙结构，能有效将这些问题进行根本的解决。在7度区，层数在18 层以下的住宅建筑使用短肢剪力墙结构，能有效地将水平地震剪力、结构顶点位移、周期控制在合理的范围之中。如果高层建筑物的层数大于18，最好还是选取普通剪力墙结构。如果将短肢剪力墙结构运用到层数过大的建筑结构当中，会导致其刚度不达标，从而导致结构的安全性能也受到其影响。
结构优化设计的目的不是简单的降低材料用量，也不是不分轻重的都按规范底限进行设计，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部分，应重点加强或补充分析。在建筑设计初期，结构设计人员就应与建筑师紧密配合，初步确定剪力墙布置，合理调整建筑方案，避免不规则或严重不规则的平立面布置，达到技术先进，安全适用、经济合理的设计方案，实现降低建筑总体造价的目的。
三、实例分析
1、工程概况
某剪力墙高层商业建筑功能多样化的使用要求，导致结构体系复杂，出现了错层、多塔等结构，对建筑抗震方面提出了更高的要求，因此，选择合理的结构方案并优化十分关键。
2、工程的建筑方案
1）平面：该建筑南北方向长 86.32m，东西方向长 79.04m，设计成“凹” 型，有较长的外伸部分（见图1）。x.y方向剪力墙分布不均匀，不对称。沿 Y 向井筒集中布置在建筑物北侧，南侧为框架，结构在两个方向扭转不规则。
2）立面：建筑物在立面上错落有致，高度变化较多，层数依次有3层、10层、14层、16层（见图2）。
3）设置错层：根据建筑设计需要，该建筑部分设置3层商业用房，相邻10层住宅，两者层高不同，而且连接处位于楼梯、电梯这类薄弱部位，建筑上采用错层来处理（见图 3）。
3、结构设计分析
3.1、结构方案布置的主要思路
结构设计不仅是一门专业技术，更是一门艺术，这在结构布置分析阶段表现得尤为突出。结构方案选择，不但有安全方面的考虑，而且还要满足建筑空间形式和使用功能、构造功能及所感受到的形象功能等多方面的要求。本工程结构方案布置的主要思路为：
1）剪力墙布置尽可能集中，以留出足够可变化的空间。
2）方便住宅套型内部组合变化，调整梁的大小和位置。
3）建筑高低错落，局部层数相差太大，平立面均不规则，在结构总体设计上设置抗震缝，将平面分割成若干个小单元，使各小单元的立面和平面尽量变得简单规则。
3.2、结构模型调整过程
针对该建筑体型复杂的特点，采取多种模型进行分析和试算，并根据试算结果运用结构概念设计对其做相应的调整和优化。
3.2.1、结构模型的选择
高层建筑在结构设计过程中，一方面要求结构布置规则、对称，特别是要求平面刚度布置均匀，以减少扭转：另一方面要求加强结构的抗扭刚度和抗扭承载力。这两方面已经成为结构师普遍认同的设计要求，是重要的概念设计内容。现行 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）（2008 版）和 《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）（以下简称 《高规》）中，给出了一些关于结构抵抗扭转的量化指标，周期比就是其中的一个重要指标。周期比反映结构抵抗扭转效应，它控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而不是绝对大小，目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大的（相对于侧移的）扭转效应。周期比不满足要求时，说明结构扭转刚度相对于侧向刚度偏小，这时单纯增加结构尺寸，往往收效甚微，应通过整体调整才能获取良好的效果。
1）模型1：设抗震缝将建筑分成两个单元，在楼梯间和电梯井处设剪力墙（见图 4），计算结果是周期比不满足要求。
2）模型2：设置抗震缝将建筑分成四个单元，在楼梯间和电梯井处设置剪力墙（见图5）。按照多塔对各单元进行试算，结果在南面 2个单元的周期比过大，不满足要求。 3）模型3：对模型 2 的计算结果进行分析，可知结构的扭转刚度不够，加强建筑周边的刚度可以有效地改善结构的扭转性能；然而建筑上又不允许周边设置剪力墙，在与建筑协调后采取在分户墙上增设剪力墙（见图 6），并且增大周边构件的截面等措施进行试算，其结果扭转指标依然不满足要求。
4）模型 4：设抗震缝将建筑分成三个单元，其中单元 l、3相同，该部分包含 l3 层、l5层住宅，在电梯井处设置剪力墙，其余部位为框架：单元2为商业用房3层，住宅10层，两者衔接有错层，该单元筒体部分取消剪力墙，改用轻质隔墙填充，采用全框架结构（见图7）。按照该模型进行计算，周期比分别为0.85和0.66。检查其余参数指标，均满足《高规》要求。
3.2.2、结构模型选择思路分析
本工程属于A级，《高规》要求转动周期与平动周期之比不应大于0.9。为此，本工程采取两种措施来调整周期比。
1）提高结构的抗扭刚度，使抗扭周期变短。例如加强外圈结构刚度、削弱内筒刚度、增设剪力墙、增大剪力墙截面等。这个措施可以改善结构的扭转性能，是解决扭转薄弱的最直接有效的方法。前述的模型 1-3 就是按此思路来进行分析、修改和试算的。
2）采取逆向思维，降低结构的平动刚度，使结构相对地变 “柔”。例如减少结构构件的截面尺寸、减少剪力墙设置数量等。这样可使平动周期变长，进而达到调整周期比的目的。但结构变柔后，扭转角会变大，对抗震不利。因此应在尽量提高扭转性能的基础上来减少平动刚度。
当采取第2）种措施时，即使结构变 “柔”，也要保证结构具有多道防线，有足够的安全度，仍然需要足够大的弹塑性变形能力来抵御未来可能遭遇的高烈度地震。根据刚柔结合的目标，再从具体的结构整体设计中去满足，其中包括合理的构造措施。模型4就是在这样的思路指导下进行建模计算的。通过电算分析后，确定模型4为结构最终方案。
运用概念设计在模型4的基础上对结构进行进一步的调整和优化。单元 2（见图8）是双楼结构，在3层商场和10层住宅（虚线框内为住宅）交接处设置两条施工后浇带，减少因楼层差异较大造成沉降影响。该单元高度为30.9m，大于30m，根据 《高规》第 4.8.2条框架抗震等级三级，错层部分根据《高规》第10.4.4条规定抗震等级提高一级，变成二级。在错层部分梁板柱的截面和配筋全部加强。塔楼之间的裙房（即商场）的层面梁、板截面和配筋都进行加强。并且住宅与商场相连的外围的柱子从底部到商场屋面的上一层高度范围内，箍筋全部加密，柱子筋也相应加强。
单元1和单元3体型结构相同，长度（L）为56.2m，宽（B）为15.2m，L/B=3.7，从左到右分别为14层、16层，高度比3.2，平、立面形式比较简单。考虑该单元长度较长，在14层和16层之间设置后浇带，以减小其变形。
单元1、2、3的结构计算分析结果：1）单元1、3所取参数：抗震设防烈度为6度，场地类别Ⅳ类，框剪结构，框架及剪力墙抗震等级为三级，基本风压 0.35。
2）单元1、3的计算结果
周期比为0.85<0.9，满足《高规》第 4.3.5 条；
结构最大层间位移角为1/1439<1/800，满足《高规》第 4.6.3条；
结构最大位移比 1.25，满足《高规》第 4.3.5条；
框架柱地震倾覆弯矩百分比小于50%，满足《高规》第 8.1.3条。
3）单元2所取的参数：抗震设防烈度为6度，场地类别为Ⅳ类，全框架结构，错层部分框架抗震等级为二级，其余等级为三级，基本风压为0.35。
4）单元2的计算结果
周期比为0.66<0.9，满足《高规》第4.3.5条；
结构最大层间位移角为1/1094<1/550，满足《高规》第 4.6.3条；
结构最大位移比 1.16，满足《高规》第 4.3.5条；
四、结束语
随着人们对建筑功能要求的多样化，平立面不规则的建筑物越来越多，建筑平面和立面越来越复杂，对建立合理的结构模型以及优化设计的要求也更高。结构设计需要设计师灵活运用概念设计对结构布置进行不断调整和优化，来获得较为理想的结果。
参考文献：
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ 3-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 孙国正.优化设计及应用[M].北京：人民交通出版社，2004
[3] 孙雪兰.浅谈高层剪力墙结构的优化设计.山西建筑，2010；（8）