剪力墻結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)化設計

陳海鵬

【摘要】隨著社會的發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程的推進，城市人口的增加，高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)成為城市住宅的主要形式。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，如何實現(xiàn)高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，是結(jié)構(gòu)設計師面臨的一個重要問題。本文結(jié)合工程經(jīng)驗，在工程設計過程中，如何進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如何減少工程造價進行研究，從方案設計中平面設計和立面設計、剪力墻布置和設計、細節(jié)設計中模型精度控制、鋼筋歸并和構(gòu)造等幾個方面進行探討。

【關鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu);優(yōu)化設計;住宅

1、前言

剪力墻結(jié)構(gòu)以剛度大、整體性好、用鋼量省及便于分割等優(yōu)點，備受設計者的青睞。開發(fā)商在住宅項目的開發(fā)中，房屋的單位面積用鋼量大小是影響土建造價的決定性因素，最終直接影響經(jīng)濟效益。設計人員在保證設計成果符合結(jié)構(gòu)安全、規(guī)范的前提下，做到單位面積鋼筋量處于一個合理水平，不僅是設計者的職責，也是衡量設計單位技術水平和市場競爭力高低的重要標志。

2、方案設計

方案設計是一個工程設計開始，同時也是工程造價的決定性階段。在同一標準的情況下，不同的戶型會產(chǎn)生不同的造價;即使看起來相似的戶型，不同的方案設計，工程造價也會產(chǎn)生很大的差別。

2.1建筑方案平面設計

在進行方案平面戶型設計時，設計師應充分考慮建筑的功能、業(yè)主的要求和外形美觀外，同時將結(jié)構(gòu)概念設計融入到方案設計，這是一個重要環(huán)節(jié)。方案設計師根據(jù)結(jié)構(gòu)概念理解，在方案設計中充分考慮結(jié)構(gòu)的合理性，減少一些復雜的造型、立面設計，充分與甲方溝通，做成一個結(jié)構(gòu)合理、造型簡潔、美觀的建筑，這樣就能得到業(yè)主的好評，也能節(jié)省工程造價。

在方案設計中，不同的平面設計會產(chǎn)生不用的戶型布置，將涉及到墻的位置、梁布置的位置，會產(chǎn)生不同工程造價。方案設計過程中，在滿足使用功能下，盡量將戶型做的簡單、規(guī)則、對稱和減小偏心，這樣可以使剪力墻布置合理，使用較少的梁將整個房間分割幾個規(guī)則的板塊，減少暗柱的數(shù)量，從而節(jié)省用鋼量，減少造價。

2.2建筑方案的豎向設計

方案設計中，豎向設計也是一項節(jié)省工程造價重要因素。規(guī)范中要求豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和收進;結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化。建筑物的豎向布置規(guī)則性和均勻性，對結(jié)構(gòu)的指標影響極大。若豎向不規(guī)則出現(xiàn)過大的外挑，出現(xiàn)薄弱層將會增加某些構(gòu)件的抗震等級，進行內(nèi)力放大，增大用鋼量;過多的不規(guī)則有時候還要進行超限審查，將會增加工程的難度和工程造價。反之，規(guī)則且豎向比較均勻的建筑，用鋼量少，造價少。

3、剪力墻設計

方案設計完成后，進入施工圖階段，剪力墻選擇、布置方式及布置位置成為節(jié)約用鋼量的重要環(huán)節(jié)。

3.1剪力墻選擇

一般來說，剪力墻的布置位置和布置形式由建筑的平面形狀和建筑的高度所決定。層數(shù)較少的高層住宅建筑可以采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。對于層數(shù)較少的住宅建筑若采用傳統(tǒng)的現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)，由于各墻肢的實際軸壓一般會比計算值偏小，墻體又多為構(gòu)造配筋，就會導致墻體的承載力不能充分發(fā)揮出來。而采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，就可以很好地解決上述問題。在7度區(qū)，層數(shù)較少的高層住宅建筑采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，可以將結(jié)構(gòu)頂點位移、周期、水平地震剪力等控制在合理范圍以內(nèi)。合理采用短肢墻可以將部分混凝土墻用磚墻替換，減輕墻體自重，降低結(jié)構(gòu)剛度，因此，其地震反應降低了，工程費用也隨之降低，另外還加大了結(jié)構(gòu)的延性，提高結(jié)構(gòu)的抗震性。

3.2剪力墻布置

剪力墻結(jié)構(gòu)中全部水平力和豎向力都是由剪力墻承擔，根據(jù)規(guī)范要求首先應將剪力墻均勻布置在建筑物的周邊、樓梯間、電梯間、平面形狀變化和豎向荷載較大等部位;平面形狀凹凸較大時，宜在凸出部分的端部附近布置剪力墻。在抗震結(jié)構(gòu)中，還應避免單方向有墻的情況，并應使兩個方向的側(cè)向剛度相近，即兩個方向的自振周期相近。剪力墻布置要形狀簡單，盡量布置成L型。

剪力墻上面的門窗、洞口應各層對齊，形成明確的墻肢和連梁，在計算過程中使模型簡單、明確，計算簡單和傳力明確。在抗震設計中，如剪力墻出現(xiàn)上下不對齊洞口的剪力墻，形成錯位剪力墻，不僅使墻肢不規(guī)則，傳力方式不明確，而且在洞口錯層部位會形成薄弱環(huán)節(jié)，對抗震尤為不利。

剪力墻結(jié)構(gòu)設計中，建筑主要受力構(gòu)件剪力墻應沿建筑通高布置，不宜出現(xiàn)較大的剛度突變。控制剪力墻平面外的彎矩，在剪力墻平外面搭設梁時，應采取增設沿軸線方向的平面外墻肢或者扶壁柱，減小平面外產(chǎn)生的彎矩對墻肢不利影響。對于受力較小的梁可以采取鉸接的方式釋放掉彎矩，減小影響。

在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻的鋼筋量的大小與暗柱的比例成正比，暗柱的數(shù)量、暗柱的形狀就成為節(jié)省造價的關鍵因素。在剪力墻設計時，要充分考慮到暗柱的布置形式，盡量使暗柱規(guī)則、上下對齊。

4、設計細節(jié)

在完成方案設計和剪力墻設計后，主要用鋼量已經(jīng)定下來，在后續(xù)的計算過程中，節(jié)約的數(shù)量不會太大，但通過細節(jié)設計也可以節(jié)約一些。

4.1模型的精度控制

模型的精度控制只要體現(xiàn)在兩個方面：一個是荷載的取值，這個要求我們設計人員在前期模型根據(jù)建筑條件的不同情況選取不同的荷載值，例如我們在輸入梁間荷載時，應根據(jù)窗洞的大小輸入不同的荷載數(shù)值。在一個就是模型計算結(jié)果的精度控制，根據(jù)上面結(jié)構(gòu)的布置合理的布置層間位移角、位移比及軸壓比等參數(shù)，使他們在滿足規(guī)范的前提下，控制在一個合理的范圍內(nèi)，如我們在做高層剪力墻住宅時控制層間位移角在滿足規(guī)范1/1000的前提下，調(diào)整上部剪力墻的布置形式和墻肢長短調(diào)整層間位移角在1/1100左右。

4.2鋼筋的歸并

在計算模型調(diào)整完成之后，在施工圖繪制時，歸并鋼筋成為節(jié)約用鋼量的下一個因素。鋼筋歸并主要體現(xiàn)在豎向，在進行梁柱歸并時，應該根據(jù)豎向的梁、柱的配筋差距大小，合理的分層進行配筋;在畫施工圖過程中，合理控制實際配筋和計算配筋值的大小，使配筋結(jié)果更合理、更經(jīng)濟。

4.3規(guī)范中構(gòu)造鋼筋的配置

高層剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋，根據(jù)規(guī)范的要求合理的使用最小值。如板的配筋，我們一般根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范8.5節(jié)受彎構(gòu)件0.2%的最小配筋率進行配筋，但有時候為了節(jié)省鋼筋，我們也可以按著注示里面的第二條進行配筋[2]。

板混凝土標號取C25，鋼筋等級為三級，板厚為100mm的板底構(gòu)造鋼筋最小配筋率： ，則取 ，可以采用6/8@200滿足規(guī)范要求。

板混凝土標號取C30，鋼筋等級為三級，板厚為100mm的板底構(gòu)造鋼筋最小配筋率： ，則取 ，配筋為6/8@200滿足規(guī)范要求，比用8@200節(jié)約了22%。

5、設計實例

河北某11層剪力墻結(jié)構(gòu)，板的混凝土等級為C30，墻混土等級C30，墻抗震等級為三級，建筑面積為6666.94平方米。因方案設計已經(jīng)完成，不能進行優(yōu)化;經(jīng)上述方式對墻和板配筋優(yōu)化后為表5-1，節(jié)省3.2 kg/m2，達到優(yōu)化設計的要求，節(jié)約工程造價。

注：以上用鋼量包含3%施工損耗。

結(jié)論：

在設計高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)中，在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，將建筑外觀簡潔、美觀等優(yōu)點充分發(fā)揮出來的前提下，做到最大降低工程造價，是每個設計人員應該重視的前提。本文從方案布置中水平設計和豎向設計、剪力墻選擇、剪力墻設計及細節(jié)設計等三個方面對如何進行優(yōu)化，節(jié)省用鋼量做出分析，希望能得到同行中的其他設計人員指點和借鑒。

參考文獻：

[1]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)范（JGJ3-2010）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（2015版）（JB50010-2010）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[3]侯新寧.高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)化設計[D].太原理工大學，2013.

[4]王法武，唐敢.高層框架及剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)移優(yōu)化設計[J].工業(yè)建筑，2006，36（6）38-42.