剪力墙结构优化方法探讨

剪力墙结构是一种常见的结构形式，特别是在量大面广的高层住宅中广泛应用。剪力墙结构由于梁和板的跨度不大，梁和板的优化空间相对较小。下面从墙肢布置、结构计算参数取值、性能控制指标( 如位移角) 三个方面讨论剪力墙结构的优化方法。

01平面布置原则

墙肢布置的优劣直接从宏观上影响整个建筑结构的力学性能和经济指标，因此优化布置是进行剪力墙结构优化设计的关键。剪力墙布置宜遵循如下四点原则

1. 墙肢对齐布置

剪力墙构件作为高层剪力墙结构主要的抗侧移构件，进行结构设计时应充分发挥墙肢间的联动效用。因此进行结构布置时，同一方向的墙肢宜均匀布置，在平面上形成多道联肢剪力墙协同工作，尽量避免剪力墙错位布置。如图 1 所示的某高层住宅结构平面 Y 向存在 4 片墙肢刚好错位布置的情况( 图1 中框起部分的墙肢) 。稍微调整该墙肢的位置，可形成 2 道联肢剪力墙，则对齐布置的计算模型局部侧向刚度可增加 10%

图1 某高层住宅标准层结构平面布置图

2. 墙肢均匀布置

高层建筑结构在满足承受竖向荷载和结构抗侧移刚度的需要外，还应具有一定的抗扭转刚度。具体设计过程中，可通过适当加强周边剪力墙以及外圈梁，调整结构刚度中心与结构平面几何形心、质量中心的 相 对 位 置，尽 量 做 到“三 心”重 合 的 理 想效果。

3. 避免使用短肢剪力墙或长墙

由于短肢剪力墙的延性较差，且构造要求高，钢筋用量较大，结构布置时应避免使用短肢剪力墙。墙肢长度过长，刚度过大，会造成地震力比较集中。剪力墙结构中如果存在少量长墙，地震作用下的楼层剪力主要由这部分长墙承受，发生超烈度地震时该部分墙肢由于承受巨大的地震力往往首先破坏，由于其他墙肢的承载力较弱，容易造成剪力墙墙肢由强到弱各个击破的破坏形式，最终导致结构倒塌。因此，进行剪力墙结构布置时宜使各墙肢刚度接近，尽量避免使用长墙。

4. 优先采用带翼缘墙

L 形、T 形的剪力墙因墙肢端部的翼墙起到扶壁作用，稳定性较好，同时也比较容易满足框架梁搭接在剪力墙端部时钢筋的锚固长度要求，进行结构布置时宜优先采用，L 形、T 形墙的翼墙长度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼 墙 长 度 越短，则 配 筋越少

02计算参数的敏感性

对剪力墙结构钢筋用量敏感的参数包括: 周期折减系数、连梁刚度折减系数、梁刚度增大系数、考虑压筋影响的梁配筋计算、考虑楼板作为翼缘的梁配筋计算、楼板计算假定、次梁的抗震等级等。限于篇幅，以下选取周期折减系数、楼板计算假定和次梁的抗震等级进行分析。

1. 周期折减系数

周期折减系数不影响结构刚度，但影响结构的地震效应大小。周期折减系数可通过软件计算得到，如采用 GSSAP 软件分别计算有填充墙模型和无填充墙模型的第一周期，以这两个周期的比值作为折减依据。

某 12 剪力墙结构三维计算模型如图 2 所示，该结构填充墙比较多，计算得到的周期折减系数为0. 95。某 32 层剪力墙结构三维计算模型如图 3 所示，该结构填充墙比较少，计算得到的周期折减系数为 1. 0。模型的计算结果见表 1

图2 某12层剪力墙结构 图3 某32层剪力墙结构

工程实践表明，周期折减系数每下降 0. 1，基底地震剪力增加 3% ～ 10% ，地震力的增大将会导致配筋增大。因此，周期折减系数应慎重选取，一般剪力墙住宅结构可取 0. 95。也可通过计算结构( 考虑填充墙刚度) 的基本周期来确定。

2. 楼板计算假定

在结构整体计算中，一般情况下楼板可采用刚性板或弹性板假定。刚性板假定下可通过梁刚度放大系数考虑楼板的刚度贡献，而弹性板假定下，楼板与梁共同工作，较真实地考虑了楼板面外刚度的贡献。采用不同的楼板假定所计算得到的梁板内力分配不同，从而梁板的计算配筋也不同。

某 32 层剪力墙住宅结构，其标准层结构平面布置图如图 4 所示，楼板分别采用刚性板( 中梁刚度放大系数取 1. 8) 和弹性板( 壳元) 假设进行计算，得到的结构第一周期分别是 2. 784s 和 3. 025s，可见，基于弹性板假定的结构整体刚度比刚性板假定大，基于弹性板假定计算结果进行设计比基于刚性板假定要节省钢材，每平方米梁钢筋用量减少约 2kg

图4 标准层结构平面图

3. 次梁的抗震等级

采用常用设计软件建模时，与墙相连的梁的建模一般按主梁输入，是否按次梁设计由软件判断或工程师指定。次梁是非抗震构件，若按抗震构件设计将提高梁的最小配筋率和其他构造要求。当前全国各地对次梁的判断有如下 5 种选择( 按次梁数量从少到多排列) : 1) 所有与墙肢垂直相连的梁判断为框架梁; 2) 有一端与墙垂直相连的梁判断为次梁; 3) 两端与墙垂直相连的梁判断为次梁; 4) 一端与墙方向一致，另一端搭在梁上的梁判断为次梁;5) 一端与墙方向一致，另一端不论如何搭接均判断为次梁。目前多数采用第 3 种情况，即两端与墙垂直相连的梁判断为次梁。

03不同层间位移角材料用量比较

某品字形高层住宅，结构总高度为 97. 5m，地下1 层，地上 32 层，首层层高 4. 5m，标准层层高 3m，结构平面布置如图 5 所示。本工程位于 7 度区，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，基本风压 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度为 B 类。

通过修改抗侧力构件的截面尺寸和局部调整结构布置，使得结构在多遇地震作用下的最大层间位移 角 分 别 满 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求