关于高层剪力墙结构的经济性控制

【摘要】本文通过对高层剪力墙结构的技术分析，探讨了如何在限钢设计要求下，进行结构概念设计、计算分析及调整方法、结构构造措施等多方面控制结构成本的方法，满足结构设计控制指标的要求。同时以项目实例介绍优化设计，让设计达到安全合理、舒适、经济的目的。

【关键词】高层剪力墙结构；剪力墙布墙率；含钢量控制；成本控制

1. 引言

随着建筑行业的兴盛，尤其城市中房地产业的不断发展，导致城市地价不断的上涨、同时钢铁价格、以及人工费用也日益上涨，直接导致房地产行业建设成本的日益增加。如何控制建设造价成为业内人士越来越关注的问题。房地产开发商为了控制成本，通常会在设计要求中或合同附件中提出结构的用钢量及混凝土用量的上限要求。故对于结构设计人员来说需要利用清晰的结构概念来完成各项指标要求，同时需要结构具有足够的安全冗余度。本文根据一些相关项目的设计经验，按照剪力墙结构的受力特点，从概念上判断、分析控制结构含钢量的几个方向——剪力墙的整体刚度控制、合理墙间距、轴压比、及整体布墙率等，并以工程实例作为实践来解决以上问题。从而使得结构既可以完全满足限钢设计要求，又能保证结构具有足够的安全储备，并提高结构使用的舒适性。

2. 剪力墙的布置

2.1 从自重方面考虑

高层剪力墙结构具有以下优势：整体刚度大，抗震性能好，水平位移小，居住舒适；建筑平面灵活，室内无梁无柱，有效改善室内空间；但是根据以往经验，一般高层剪力墙住宅中剪力墙自重占结构自重的一半以上，多则达到60% 以上属于小开间剪力墙体系，剪力墙较多、结构自重较大，造成结果是：基础比较浪费、增加结构造价、用钢量较大，且造成结构侧向刚度过大，对于抗震并不有利，根据以工程经验总结判断：通常剪力墙间距为4-5m之间为最经济的间距。故需要在结构设计时尽可能在布置墙肢的时候间距在4-5m 之间。墙肢之间使用连梁或梁连接。最终判断剪力墙墙肢合理性的数据判别为剪力墙的布墙率：标准层剪力墙面积/楼层建筑面积。通常合理的布墙率范围，6度区通常在4.5~5.5% 之间。

2.2 从用钢量方面考虑

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%（该统计数据为6 度抗震设防区的数据，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：1）尽量减少剪力墙数量，剪力墙间距宜取成4~6m。2）各墙肢布置时应考虑如何减少边缘构件，判断标准为控制边缘构件的钢筋用量。3）满足规范要求的抗侧刚度最大层间位移角1/1000。4）满足规范要求的抗扭刚度要求：位移比不宜大于1.2，周期比不得大于0.9。

2.3 从概念设计方面考虑（1）强周边，弱中部，剪力墙尽可能布置在结构周边外围护墙位置多布墙，中部宜减少剪力墙的布置，进行弱化处理。（2）均匀、分散，在布置结构墙肢时避免出现过长墙（＞ 8m），应使得结构各墙肢均匀受力，协同工作。避免出现单片剪力墙过长，以致在承受水平地震力时，长片剪力

墙的破坏形式上呈现纯剪切破坏结构—属于抗震延性极差的脆性破坏形式，以至于长片剪力墙首先破坏，并使得其它结构构件被各个击破。这样在大震的情况下失去第二道防线的作用，甚至出现连续倒塌的情况。所以在设计时控制各片剪力墙的墙长不得超过6m，超过6m 的剪力墙采用设置洞口的办法使墙体分割成小于6m 的墙肢。（3）结构布置中，剪力墙尽可能多设置剪力墙有效翼缘，因为有翼缘的剪力墙无论在稳定性上级抗震性能上都远远大于无翼缘的一字型剪力墙，有效翼缘长度根据规范取值可以取剪力墙厚度的3 倍，可以配合剪力墙做成L 型，T 型的，增加结构整体安全储备。（4）采用高标号混凝土：为了使用的舒适性，在建筑室内不使用超过200mm 的剪力墙，但不建议底部时候加长剪力墙，采用较高标号的混凝土，底部1~7 层采用C50 混凝土，8~12 层采用C45混凝土，使得轴压比能满足要求。同时也能减少结构整体的自重，且又能保证结构楼层之间刚度、承载力不出现突变。

3. 梁板布置

高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，梁板的合计用钢量约占35%~55%，所以布置好剪力墙后，对水平构件的方案优化设计也同样重要。对高层民用住宅，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。通常需要的最小板厚度为100mm，而根据100mm楼板在正弯矩钢筋在配置最小配筋率的情况下，反算楼板支座（梁或墙）的间距宜取3.6m~4m 之间，故梁间距与墙间距可以参照此布置。

4. 计算分析

先根据建筑图纸及结构布置图建立一个初步的结构模型，该模型仅有一个标准层，先按照正常的层数及层高进行，并按照正常的参数选取，并进行计算根据计算结果来调整模型：1）最大层间位移角来判断体系整体刚度，宜控制在1/1000~1/1100之间2）轴压比控制墙肢长度及混凝土标号3）梁配筋来确定梁最小高度4）板配筋及挠度来确定楼板最小厚度。如果体系中周期比位移比满足不了时，可以采取以下措施1）要求首先增加周边剪力墙刚度：加长剪力墙或加大连高变成连梁2）适当减小中部剪力墙布置量3）找出位移最大值点根据此点调整墙肢若都能在比较满意后，可以正常进入下一阶段深化模型阶段。

5. 实例分析

5.1 工程概况

某工程为地下2 层，地上31 层，建筑的总高度为93.0m，结构标准层平面布置见图1。

建筑结构使用年限为50 年，抗震设防烈度为6 度，设计基本地震加速度为0.05g，地震分组为第三组，抗震设防类别为丙类，场地类别为III 类；特征周期为：0.45S，剪力墙的抗震等级为三级，结构安全等级为二级，基本风压为0.55kN/m）（属于风荷载控制体系）地面粗糙度类别为D类。剪力墙厚度：200mm，墙混凝土强度等级：层7以下为C50，层8~14为C45，层15~20为C40，层20以上为C30；梁、板混凝土强度等级均为C25。柱、墙主筋采用HRB400级钢筋，梁、板采用HRB400级钢筋，分布筋及箍筋采用HRB400级钢筋。5.2 经济指标经济指标是以施工图为依据统计的；仅以上部结构标准层为基准；同时统计结果中未包括过梁、构造柱等非结构构件钢筋；本工程采用建筑面积考虑。本工程基本遵循以上原则进行结构设计，混凝土用量为0.32m3/m2，钢筋用量见

6. 结语

结构经济性的控制不是以减少结构安全储备为代价而得到暂时的利益，而是在掌握结构概念的基础上，合理布置竖向构件，且在整体分析计算的基础上得到的结果。主要在控制主要参数：结构层间位移角取为1/1000~1/1050 之间、合理墙间距通常在4~6m 之间、整体布墙率控制区间在4.5~5.0% 之间，墙肢完全按照轴压比控制长度，使用高标号混凝土等使得结构体系进、安全适用、经济合理、确保质量及满

足业主限额设计的要求。

参考文献

[1] 傅学怡. 实用高层建筑结构设计（第二版）]. 北京：中国建筑工业出版社，2010

[2] 冯中伟，刘宜丰. 高层剪力墙住宅结构优化设计. 建筑结构，2010