论文部分内容阅读
摘要：在当前高层建筑体系的构建过程当中，剪力墙结构是极为普遍的设计形式，剪力墙的侧向刚度相对较大，且其抗震性相对较好，在民用住宅的建筑设计过程中有着极为普遍的应用，基于上述角度，对高层建筑剪力墙结构进行有效的优化，提高剪力墙布置的合理，充分发挥剪力墙结构的优势。
关键词：高层建筑;抗震结构;剪力墙;优化;
引言
在当今社会的发展过程中，住宅产业得到了蓬勃的发展，其中采用剪力墙结构的高层住宅已经占据住宅项目的90%左右。根据完成的项目统计，在剪力墙结构中，剪力墙的工程量占据一次结构土建工程量的16%～38%，高度越高，烈度越大，剪力墙的占比越大，故如何把剪力墙设计的安全、经济、合理，是一个结构方案优劣的重要考量指标，也有必要对剪力墙结构的剪力墙进行深度的研究，进一步的提高剪力墙的安全性、经济性等。
1剪力墙结构的布置原则
剪力墙的特点是截面高度很大，厚度相对较小，故剪力墙的面内刚度很大，面外刚度很小，在设计或计算中，通常忽略剪力墙的面外刚度。受建筑布局、立面的影响，剪力墙的墙肢长度、墙体厚度、截面形状、开洞等让剪力墙的形式变化多端，受力状况更加复杂，如何发挥剪力墙的优势，避免其短处，是剪力墙结构设计的核心。根据经验，主要从以下几个方面优化剪力墙的布置：
0.1双向布置，刚度尽量接近
在剪力墙的布置过程中，由于不考虑剪力墙的面外刚度，应根据建筑平面的特点，在东西向和南北向均设置适量的剪力墙，并使得两个主轴方向的刚度尽量接近。
0.2强周边弱中间
对矩形平面，在满足中间墙肢轴压比限值的情况下，剪力墙尽量布置在周边或外围。当周边和外围无法布置更多的剪力墙且结构仍然有较大的扭转时，可增加外圈连梁高度，保证结构的第一、第二振型为平动。剪力墙要在两个主轴方向均匀、对称布置，减小楼梯、电梯偏置带来的偏心影响，尽量减小结构的刚度中心与形心的距离，以减少偏心带来的扭转造成的造价。
对于住宅以大致的矩形平面为主，其他平面较少。对于圆形平面，剪力墙可以径向、环向设置为宜，对于三角形平面可沿着三个主轴的方向设置剪力墙，布置的原则是尽量均匀、对称。
0.3长度、间距
由于不考虑剪力墙的面外刚度，且受建筑净高要求的影响，面外梁高一般400～600mm，且受建筑使用的影响，常常无法设置扶壁柱以平衡剪力墙面外梁产生的弯矩，故剪力墙的间距不宜很大，不适合大空间的结构，较适用于住宅、公寓等平面上可以布置较多墙体的结构。在条件允许的情况下，应尽量加大剪力墙的间距，并使结构具有适当的侧向刚度。
高宽比大于3的剪力墙往往具有较好的延性，其破坏形态一般为弯曲破坏。剪力墙的截面高度一般不宜大于8m，当截面高度大于8m时，可在墙体中间开洞口形成联肢墙。采用跨高比不小于6的弱连梁连接各墙肢，这样各墙肢相对独立，受力较均匀，也更能充分发挥各墙肢的作用。
0.4洞口布置
布置门窗洞口时宜规则、上下对齐，均匀布置，尽量避免墙肢长度差异很大。墙肢越长，其刚度越大，吸收的地震力就越大。大震时，这些长墙容易首先破坏，其他墙肢的配筋又不足，容易造成结构的连续倒塌，对结构整体不利。对于抗震等级为一～三级的剪力墙的底部加强部位不应采用错洞墙。当底部加强部位以上错洞墙很难避免时，可采用有限元应力分析，并加强错洞处的配筋构造，且错开的距离不宜小于2m。也可采用结构上设置规则洞口，通过填充轻质隔墙的方式形成错洞，以满足建筑立面要求。
0.5短肢剪力墙、一字墙
短肢剪力墙布置灵活，自重较轻，对建筑的影响小，很受建筑专业的青睐，但是短肢剪力墙抗震性能较差，不宜布置过多。局部使用时，其墙肢厚度、轴压比、配筋率、抗震等级等均应有更严格的要求。
结构布置时宜减少一字墙的数量。特别是山墙，常常在墙平面外布置一些单侧梁，造成墙平面外的弯矩较大，而一字墙的平面外稳定性较差，对墙体不利，无法避免时应采取一些措施，如设置端柱，释放梁端弯矩等。
0.6竖向布置
剪力墙竖向宜连续，剪力墙厚度和混凝土强度等级宜随高度的增加逐步减少，避免在同一层同时改变墙厚和混凝土强度等级，以免剪力墙刚度突变。同时，截面和混凝土减少的幅度也不易过大，墙厚一般每次减少50mm，混凝土一般可减少一个等级，每5层左右改变一次为宜，避免改变频繁造成的施工困难。
1剪力墙的设计优化
2.1底部加强部位的高度
高层建筑就像一个插入地表的悬臂构件。在横向水平力作用下，底部的弯矩是最大的，也是最可能出现塑性铰的地方。底部钢筋屈服后，由于钢筋和混凝土的粘结力破坏，钢筋的屈服范围越来越大，最终形成一个区域。设计时应该对这个区域采取加强措施，也成为剪力墙的底部加强部位。塑性铰区的长度范围一般小于或等于剪力墙的截面高度[1]。高规和抗规都对底部加强部位做出了规定，且考虑安全，都大于塑性铰区的长度。由于底部加强部位配筋要求较高，为节约成本，在设计时满足规范的要求即可，不需要特意的提高底部加强部位的范围。
2.2嵌固部位的选择
对于高层结构，一般设置一层或多层地下室。对于一层地下室，可选择基础顶作为嵌固端，若地下室相关范围刚度较大时，如设置了人防墙或者地下室外墙较多时，容易满足地下一层与首层侧向刚度比不小于2（上海抗规要求1.5）的要求时，也可以选择地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，避免为满足嵌固端的构造要求而增设较多的混凝土墙并加厚顶板，造成结构成本的增加。对于多层地下室，一般可选择地下室顶板作为嵌固部位，并应满足相应的构造要求，约束边缘构件可由一层延伸至地下一层，地下二层及以下可设置构造边缘构件，以减少构件边缘构件的构造配筋，节约工程造价。
2.3墙身配筋
墙体分布钢筋的主要作用是提高墙体的受剪承载力，限制墙体斜裂缝的扩展并防止发生脆性破坏。高规7.2.8～7.2.9条给出了墙身竖向分布筋的计算方法。从公式中可以看出，大偏压时考虑少量竖向分布筋的贡献，小偏压时不考虑竖向分布筋的贡献。墙体配筋率在0.1%～0.28%的墙体，不会立即发生剪切破坏，满足规范要求的最小配筋率时，可以基本保证剪力墙出现裂缝后具有足够的承载力和延性[2].文献[3]试验表明，提高边缘构件的配筋率，可提高其承载力，裂缝也更均匀更密，剪切变形也更小，而墙身分布配筋率即使由0.23%提高到0.593%，其裂缝的分布情况并不会有明显的改善。这些理论分析和震害也表明，墙身配筋在大多数情况下无法充分发挥其承载力，故规范对一～三级的构造配筋率要求一致，对加强区和非加强区的墙身配筋率也没有区别，只有底部加强区为部分框支抗震墙时，其配筋率才提高到0.30%。故墙身配筋率按高规或抗规要求设置即可，一般也无需加强，避免不必要的浪费。
2.4墙身竖向钢筋
对于剪力墙墙身的竖向钢筋直径，抗规规定竖向钢筋的直径不宜小于10mm，高规规定不应小于8mm，并不作为强制性条文，这也是根据很多工程實践经验和设计院的建议制定的[4]。目前三级钢的使用已经成为主流，其强度高，硬度大，对层高不大的建筑，其间距通常取200mm，最小直径8mm，仅需满足最小配筋率，不必随意提高其配筋量[5]。
结语
不同的结构布置方案，对有关规范的不同解读都会对建设成本有较大的影响，随着建筑行业利润率的降低，如何在满足建筑功能和安全的同时，降低工程造价已经是很多房地产企业的迫切需求。研究如何做好建筑结构的优化设计，好钢用在刀刃上，减少不必要的浪费，是一件非常有意义的事情。
参考文献
[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造.中国建筑工业出版社，2012.
[2]周献祥. 品味钢筋混凝土：设计常遇的混凝土结构机制机理分析. 知识产权出版社，2006.
华科优建（上海）工程科技发展有限公司 上海 200083
关键词：高层建筑;抗震结构;剪力墙;优化;
引言
在当今社会的发展过程中，住宅产业得到了蓬勃的发展，其中采用剪力墙结构的高层住宅已经占据住宅项目的90%左右。根据完成的项目统计，在剪力墙结构中，剪力墙的工程量占据一次结构土建工程量的16%～38%，高度越高，烈度越大，剪力墙的占比越大，故如何把剪力墙设计的安全、经济、合理，是一个结构方案优劣的重要考量指标，也有必要对剪力墙结构的剪力墙进行深度的研究，进一步的提高剪力墙的安全性、经济性等。
1剪力墙结构的布置原则
剪力墙的特点是截面高度很大，厚度相对较小，故剪力墙的面内刚度很大，面外刚度很小，在设计或计算中，通常忽略剪力墙的面外刚度。受建筑布局、立面的影响，剪力墙的墙肢长度、墙体厚度、截面形状、开洞等让剪力墙的形式变化多端，受力状况更加复杂，如何发挥剪力墙的优势，避免其短处，是剪力墙结构设计的核心。根据经验，主要从以下几个方面优化剪力墙的布置：
0.1双向布置，刚度尽量接近
在剪力墙的布置过程中，由于不考虑剪力墙的面外刚度，应根据建筑平面的特点，在东西向和南北向均设置适量的剪力墙，并使得两个主轴方向的刚度尽量接近。
0.2强周边弱中间
对矩形平面，在满足中间墙肢轴压比限值的情况下，剪力墙尽量布置在周边或外围。当周边和外围无法布置更多的剪力墙且结构仍然有较大的扭转时，可增加外圈连梁高度，保证结构的第一、第二振型为平动。剪力墙要在两个主轴方向均匀、对称布置，减小楼梯、电梯偏置带来的偏心影响，尽量减小结构的刚度中心与形心的距离，以减少偏心带来的扭转造成的造价。
对于住宅以大致的矩形平面为主，其他平面较少。对于圆形平面，剪力墙可以径向、环向设置为宜，对于三角形平面可沿着三个主轴的方向设置剪力墙，布置的原则是尽量均匀、对称。
0.3长度、间距
由于不考虑剪力墙的面外刚度，且受建筑净高要求的影响，面外梁高一般400～600mm，且受建筑使用的影响，常常无法设置扶壁柱以平衡剪力墙面外梁产生的弯矩，故剪力墙的间距不宜很大，不适合大空间的结构，较适用于住宅、公寓等平面上可以布置较多墙体的结构。在条件允许的情况下，应尽量加大剪力墙的间距，并使结构具有适当的侧向刚度。
高宽比大于3的剪力墙往往具有较好的延性，其破坏形态一般为弯曲破坏。剪力墙的截面高度一般不宜大于8m，当截面高度大于8m时，可在墙体中间开洞口形成联肢墙。采用跨高比不小于6的弱连梁连接各墙肢，这样各墙肢相对独立，受力较均匀，也更能充分发挥各墙肢的作用。
0.4洞口布置
布置门窗洞口时宜规则、上下对齐，均匀布置，尽量避免墙肢长度差异很大。墙肢越长，其刚度越大，吸收的地震力就越大。大震时，这些长墙容易首先破坏，其他墙肢的配筋又不足，容易造成结构的连续倒塌，对结构整体不利。对于抗震等级为一～三级的剪力墙的底部加强部位不应采用错洞墙。当底部加强部位以上错洞墙很难避免时，可采用有限元应力分析，并加强错洞处的配筋构造，且错开的距离不宜小于2m。也可采用结构上设置规则洞口，通过填充轻质隔墙的方式形成错洞，以满足建筑立面要求。
0.5短肢剪力墙、一字墙
短肢剪力墙布置灵活，自重较轻，对建筑的影响小，很受建筑专业的青睐，但是短肢剪力墙抗震性能较差，不宜布置过多。局部使用时，其墙肢厚度、轴压比、配筋率、抗震等级等均应有更严格的要求。
结构布置时宜减少一字墙的数量。特别是山墙，常常在墙平面外布置一些单侧梁，造成墙平面外的弯矩较大，而一字墙的平面外稳定性较差，对墙体不利，无法避免时应采取一些措施，如设置端柱，释放梁端弯矩等。
0.6竖向布置
剪力墙竖向宜连续，剪力墙厚度和混凝土强度等级宜随高度的增加逐步减少，避免在同一层同时改变墙厚和混凝土强度等级，以免剪力墙刚度突变。同时，截面和混凝土减少的幅度也不易过大，墙厚一般每次减少50mm，混凝土一般可减少一个等级，每5层左右改变一次为宜，避免改变频繁造成的施工困难。
1剪力墙的设计优化
2.1底部加强部位的高度
高层建筑就像一个插入地表的悬臂构件。在横向水平力作用下，底部的弯矩是最大的，也是最可能出现塑性铰的地方。底部钢筋屈服后，由于钢筋和混凝土的粘结力破坏，钢筋的屈服范围越来越大，最终形成一个区域。设计时应该对这个区域采取加强措施，也成为剪力墙的底部加强部位。塑性铰区的长度范围一般小于或等于剪力墙的截面高度[1]。高规和抗规都对底部加强部位做出了规定，且考虑安全，都大于塑性铰区的长度。由于底部加强部位配筋要求较高，为节约成本，在设计时满足规范的要求即可，不需要特意的提高底部加强部位的范围。
2.2嵌固部位的选择
对于高层结构，一般设置一层或多层地下室。对于一层地下室，可选择基础顶作为嵌固端，若地下室相关范围刚度较大时，如设置了人防墙或者地下室外墙较多时，容易满足地下一层与首层侧向刚度比不小于2（上海抗规要求1.5）的要求时，也可以选择地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，避免为满足嵌固端的构造要求而增设较多的混凝土墙并加厚顶板，造成结构成本的增加。对于多层地下室，一般可选择地下室顶板作为嵌固部位，并应满足相应的构造要求，约束边缘构件可由一层延伸至地下一层，地下二层及以下可设置构造边缘构件，以减少构件边缘构件的构造配筋，节约工程造价。
2.3墙身配筋
墙体分布钢筋的主要作用是提高墙体的受剪承载力，限制墙体斜裂缝的扩展并防止发生脆性破坏。高规7.2.8～7.2.9条给出了墙身竖向分布筋的计算方法。从公式中可以看出，大偏压时考虑少量竖向分布筋的贡献，小偏压时不考虑竖向分布筋的贡献。墙体配筋率在0.1%～0.28%的墙体，不会立即发生剪切破坏，满足规范要求的最小配筋率时，可以基本保证剪力墙出现裂缝后具有足够的承载力和延性[2].文献[3]试验表明，提高边缘构件的配筋率，可提高其承载力，裂缝也更均匀更密，剪切变形也更小，而墙身分布配筋率即使由0.23%提高到0.593%，其裂缝的分布情况并不会有明显的改善。这些理论分析和震害也表明，墙身配筋在大多数情况下无法充分发挥其承载力，故规范对一～三级的构造配筋率要求一致，对加强区和非加强区的墙身配筋率也没有区别，只有底部加强区为部分框支抗震墙时，其配筋率才提高到0.30%。故墙身配筋率按高规或抗规要求设置即可，一般也无需加强，避免不必要的浪费。
2.4墙身竖向钢筋
对于剪力墙墙身的竖向钢筋直径，抗规规定竖向钢筋的直径不宜小于10mm，高规规定不应小于8mm，并不作为强制性条文，这也是根据很多工程實践经验和设计院的建议制定的[4]。目前三级钢的使用已经成为主流，其强度高，硬度大，对层高不大的建筑，其间距通常取200mm，最小直径8mm，仅需满足最小配筋率，不必随意提高其配筋量[5]。
结语
不同的结构布置方案，对有关规范的不同解读都会对建设成本有较大的影响，随着建筑行业利润率的降低，如何在满足建筑功能和安全的同时，降低工程造价已经是很多房地产企业的迫切需求。研究如何做好建筑结构的优化设计，好钢用在刀刃上，减少不必要的浪费，是一件非常有意义的事情。
参考文献
[1]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造.中国建筑工业出版社，2012.
[2]周献祥. 品味钢筋混凝土：设计常遇的混凝土结构机制机理分析. 知识产权出版社，2006.
华科优建（上海）工程科技发展有限公司 上海 200083