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摘要：本文通过对某高层住宅建筑的结构设计分析了高层建筑剪力墙结构的概念设计对优化设计的重要性，并着重介绍了剪力墙结构的特点及结构布置原则，并对剪力墙结构的设计从专业的角度, 对高层建筑剪力墙结构优化设计处理方法进行了详细分析;从建筑整体结构计算、地基处理、基础设计、剪力墙及连梁钢筋用量、楼板钢筋用量等多方面详细探讨了高层建筑剪力墙结构优化设计处理方法和措施, 以实现建筑结构设计的整体优化, 从而达到科学、合理、经济的设计要求。
关键词：高层建筑; 剪力墙结构; 结构设计; 优化设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
引言
高层建筑是社会生产发展和人们生活需求的产物，是现代化、商业化、工业化和城市化的必然结果。它反应了一个国家的建筑科技、经济发展水平。随着经济和社会发展的需求，以及城市人口密度的持续增长，高层建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势，也是城市现代化的象征。为了满足高层建筑的抗震性和经济性，对剪力墙结构的研究具有重要的理论和实践意义。对同一建筑而言，不同的结构墙体布置，其经济指标差异很大，主要是混凝土用量和含钢量的差距很大。
高层建筑剪力墙结构的概念设计
1. 一幢高层建筑犹如一根竖直放置于嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”。它不仅要承受“梁”内所有重力荷载的作用并保持稳定，而且要承受风荷载、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度，避免过大的水平位移和振动，保证“梁”内各种建筑装饰、填充墙等不受损坏，以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境。
2. 高层建筑结构同时承受垂直和水平荷载，还要抵抗地震作用，在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；而在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之。因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度， 以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一定范围内。剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。
3. 剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。
4. 当地下室或下部一层、几层，需要大空间时（如商场、停车库等）即形成部分框支剪力墙结构。在框架-剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身公寓。而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中。为了适用任何方向的水平力（或地震作用），因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。
高层建筑剪力墙结构优化设计分析
1. 高层剪力墙住宅的结构设计的经济分析
( 1) 剪力墙结构刚度大, 整体性好, 用钢量较省。高层住宅中, 开间均较小, 分隔墙较多, 采用现浇剪力墙,可将承重墙减少, 比较经济。另外, 剪力墙外观整齐, 没有露梁、露柱现象, 便于室内布置, 因此在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。
( 2) 剪力墙结构设计中应注意的问题。剪力墙结构的坑侧刚度大, 结构周期小, 地震响应大; 剪力墙结构墙体越多, 建筑物的重量越大, 地震反应也大, 会造成浪费;另外, 剪力墙结构墙体多为构造配筋, 如果配筋太低, 则结构延性差。
刚度较大的结构一般震害较轻, 但是, 一般情况下,建筑物的刚度越大, 工程费用越高。因此, 剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求, 但如果要做到安全适用, 经济合理, 就必须在实际工作中有所判断, 将结构水平位移和地震力控制在合理范围内, 然后检查结构的内力和配筋。
2.剪力墙结构构件的合适含钢量
在以结构设计规范为依据的实际情况中对某高层剪力墙住宅楼的结构计算作整体分析, 同时从结构含钢量的角度作具体分析, 从而优化其结构设计。
2．1 现行规范对钢筋混凝土构件给出了最小含钢量
1) 剪力墙端部加强区关于暗柱、端柱、翼柱的构造配筋要求;
2) 剪力墙分布钢筋的配筋要求;
3． 优化结构设计, 降低工程造价
( 1) 优化结构设计, 使结构受力均衡, 技术应用得当,整体安全可靠度一致, 任一结构都能同时发挥其最大作用,这样设计出的结构才能达到既经济, 又合理的目的。从结构设计整体布局来看, 在水平荷载作用下, 剪力墙的暗柱配筋往往是构造配筋, 暗柱断面的确定与剪力墙的布置有密切的关系, 而构造配筋与暗柱断面又有着一一对应关系。由于剪力墙布置的差异, 一片剪力墙两端暗柱的断面可能差6倍~ 10倍。配筋也相应差6倍~ 10倍。而剪力墙在不同方向的水平荷载作用下是具有对称性的。这样设计出的结构就会造成极大的浪费, 因此, 首先调整剪力墙的布置, 尽可能使之对称这样即节省了造价, 又增加了结构安全性。
( 2) 造成结构浪费往往是由于设计人对某种结构概念理解不透而导致的。例如: 永州某20层综合楼, 由内简外框组成结构。外框柱距715 m, 外框与内简距离9 m 设计人员将外框边梁做成1 000 mm x700 mm, 目的是增加边梁的抗剪能力, 引入剪力滞后的概念, 加大外框结构的刚度。实际上, 该工程由于外框柱距715 mm, 很难产生剪力滞后效应, 边梁采用1 000 mmx 700 mm 与采用350 mm x 700mm 对外框的变形是相同的, 不会增加结构的刚度, 反而会因为增加重量, 加大结构自身的负担, 对结构不利。设计人员如果不能准确把握结构概念, 就会造成浪费。
4. 连梁超限的调整原则。《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当大于8m 时，宜采用弱连梁将其分开。同时还规定跨高比不小于5 的连梁宜按框架梁进行设计；有地震作用组合时，对于高跨比大于2.5 及小于2.5 两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可采用两种方法：①在内力计算前将连梁刚度进行折减；②在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。
5. 结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比（周期比）的调整原则。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在震中破坏严重。在设计时，要保证结构的抗扭刚度不能太弱：首先要限制结构平面的不规则性，避免产生较大的扭转效应，扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响；其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱，具体表现在Tt/T1 指标上。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿周边布置，以提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则只是对侧向刚度的贡献大，对抗扭刚度来说，贡献甚微。
参考文献
[ 1 ]高层建筑混凝土结构技术规程( JGJ3 - 2002 ) , S-1北京: 中国建筑工业出版社,2002,1.
[ 2 ]建筑抗震设计规范( GB50011- 2001) , S-1 北京: 中国建筑工業出版社, 2001, 1.
关键词：高层建筑; 剪力墙结构; 结构设计; 优化设计
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
引言
高层建筑是社会生产发展和人们生活需求的产物，是现代化、商业化、工业化和城市化的必然结果。它反应了一个国家的建筑科技、经济发展水平。随着经济和社会发展的需求，以及城市人口密度的持续增长，高层建筑正逐渐成为城市建筑的发展趋势，也是城市现代化的象征。为了满足高层建筑的抗震性和经济性，对剪力墙结构的研究具有重要的理论和实践意义。对同一建筑而言，不同的结构墙体布置，其经济指标差异很大，主要是混凝土用量和含钢量的差距很大。
高层建筑剪力墙结构的概念设计
1. 一幢高层建筑犹如一根竖直放置于嵌固于地基的开孔、带横肋的巨型空间构架式的“悬臂梁”。它不仅要承受“梁”内所有重力荷载的作用并保持稳定，而且要承受风荷载、地震等水平荷载的作用并保持一定的刚度，避免过大的水平位移和振动，保证“梁”内各种建筑装饰、填充墙等不受损坏，以提供“梁”内工作生活的人们有一个舒适的环境。
2. 高层建筑结构同时承受垂直和水平荷载，还要抵抗地震作用，在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，通常可以忽略；而在高层建筑中，水平荷载和地震作用将成为控制因素。随着建筑高度增加，位移增加最快，弯矩次之。因此高层建筑设计不仅要有较大的承载能力，而且需要较大的抗侧刚度， 以保证水平荷载产生的侧向变形控制在一定范围内。剪力墙结构在水平力作用下侧向变形的特征为弯曲型。
3. 剪力墙结构承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度大，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。缺点是不能提供大空间房屋，结构延性较差。
4. 当地下室或下部一层、几层，需要大空间时（如商场、停车库等）即形成部分框支剪力墙结构。在框架-剪力墙结构和剪力墙结构两种不同结构的过渡层必须设置转换层。剪力墙结构由于承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆、单身公寓。而宾馆中需要大空间的门厅、餐厅、商场等往往设置在另外的建筑单元中。为了适用任何方向的水平力（或地震作用），因此对于矩形平面，剪力墙在纵横双向均应设置；对于圆形平面，剪力墙应沿径向及环向设置；三角形平面，宜沿三个主轴方向设置剪力墙。
高层建筑剪力墙结构优化设计分析
1. 高层剪力墙住宅的结构设计的经济分析
( 1) 剪力墙结构刚度大, 整体性好, 用钢量较省。高层住宅中, 开间均较小, 分隔墙较多, 采用现浇剪力墙,可将承重墙减少, 比较经济。另外, 剪力墙外观整齐, 没有露梁、露柱现象, 便于室内布置, 因此在高层住宅中常采用现浇剪力墙结构。
( 2) 剪力墙结构设计中应注意的问题。剪力墙结构的坑侧刚度大, 结构周期小, 地震响应大; 剪力墙结构墙体越多, 建筑物的重量越大, 地震反应也大, 会造成浪费;另外, 剪力墙结构墙体多为构造配筋, 如果配筋太低, 则结构延性差。
刚度较大的结构一般震害较轻, 但是, 一般情况下,建筑物的刚度越大, 工程费用越高。因此, 剪力墙结构应满足规范中的关于结构水平位移和地震力的要求, 但如果要做到安全适用, 经济合理, 就必须在实际工作中有所判断, 将结构水平位移和地震力控制在合理范围内, 然后检查结构的内力和配筋。
2.剪力墙结构构件的合适含钢量
在以结构设计规范为依据的实际情况中对某高层剪力墙住宅楼的结构计算作整体分析, 同时从结构含钢量的角度作具体分析, 从而优化其结构设计。
2．1 现行规范对钢筋混凝土构件给出了最小含钢量
1) 剪力墙端部加强区关于暗柱、端柱、翼柱的构造配筋要求;
2) 剪力墙分布钢筋的配筋要求;
3． 优化结构设计, 降低工程造价
( 1) 优化结构设计, 使结构受力均衡, 技术应用得当,整体安全可靠度一致, 任一结构都能同时发挥其最大作用,这样设计出的结构才能达到既经济, 又合理的目的。从结构设计整体布局来看, 在水平荷载作用下, 剪力墙的暗柱配筋往往是构造配筋, 暗柱断面的确定与剪力墙的布置有密切的关系, 而构造配筋与暗柱断面又有着一一对应关系。由于剪力墙布置的差异, 一片剪力墙两端暗柱的断面可能差6倍~ 10倍。配筋也相应差6倍~ 10倍。而剪力墙在不同方向的水平荷载作用下是具有对称性的。这样设计出的结构就会造成极大的浪费, 因此, 首先调整剪力墙的布置, 尽可能使之对称这样即节省了造价, 又增加了结构安全性。
( 2) 造成结构浪费往往是由于设计人对某种结构概念理解不透而导致的。例如: 永州某20层综合楼, 由内简外框组成结构。外框柱距715 m, 外框与内简距离9 m 设计人员将外框边梁做成1 000 mm x700 mm, 目的是增加边梁的抗剪能力, 引入剪力滞后的概念, 加大外框结构的刚度。实际上, 该工程由于外框柱距715 mm, 很难产生剪力滞后效应, 边梁采用1 000 mmx 700 mm 与采用350 mm x 700mm 对外框的变形是相同的, 不会增加结构的刚度, 反而会因为增加重量, 加大结构自身的负担, 对结构不利。设计人员如果不能准确把握结构概念, 就会造成浪费。
4. 连梁超限的调整原则。《高规》规定剪力墙长度不宜大于8m，当大于8m 时，宜采用弱连梁将其分开。同时还规定跨高比不小于5 的连梁宜按框架梁进行设计；有地震作用组合时，对于高跨比大于2.5 及小于2.5 两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。塑性调幅可采用两种方法：①在内力计算前将连梁刚度进行折减；②在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。无论采用何种方法，连梁调整后的弯矩、剪力设计值不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。
5. 结构扭转为主的第一自振周期Tt 与平动为主的第一自振周期T1 之比（周期比）的调整原则。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在震中破坏严重。在设计时，要保证结构的抗扭刚度不能太弱：首先要限制结构平面的不规则性，避免产生较大的扭转效应，扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响；其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱，具体表现在Tt/T1 指标上。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿周边布置，以提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则只是对侧向刚度的贡献大，对抗扭刚度来说，贡献甚微。
参考文献
[ 1 ]高层建筑混凝土结构技术规程( JGJ3 - 2002 ) , S-1北京: 中国建筑工业出版社,2002,1.
[ 2 ]建筑抗震设计规范( GB50011- 2001) , S-1 北京: 中国建筑工業出版社, 2001, 1.