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黄国维
浙江当代发展建筑设计院有限公司 浙江杭州 310000
摘要：随着高层化建筑应用的普遍性，剪力墙在建筑业中的要求也越来越迫切，对质量和性能方面提出了更高的要求。剪力墙结构通过用钢筋混凝土墙板代替框架结构中的梁柱，来承担各类荷载的内力，有效地控制结构的水平力，在抗震方面起到了良好的作用。本文主要就剪力墙结构优化设计的相关问题进行了探讨。
关键词：剪力墙；结构设计；优化设计
一、剪力墙结构的基本原则
剪力墙又被称为抗风墙、抗震墙、结构墙，既能够承担水平构件传来的竖向荷载，又能够承担风力或地震作用传来的水平地震作用，可以节约层高，空间利用比较好。剪力墙结构主要分为：实体墙或者截面剪力墙、整体小开口剪力墙、双肢或多肢剪力墙和壁式框架等，每一种剪力墙结构都有不同的形式和作用。
由于剪力墙平面外承载力和刚度很小，而平面内承载力和刚度则相对较大，要尽量避免平面外的搭接，因为在梁与剪力墙进行连接时，会产生平面外弯矩的现象，使剪力墙平面外的安全性受到威胁。在剪力墙结构设计中，连梁跨高比小于2.5或者大于5的时候，会出现弯矩，剪力也会超过规定的限值，对工程造价产生重大的影响。
剪力墙的布置主要是双向和多向的，应该从整体出发，贯穿整个建筑物，在较长的剪力墙设计过程中，要将剪力墙平均分成若干段，每个独立墙段的总高度与长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8米，充分地发挥墙体配筋的作用。采用增加与沿梁轴线垂直的墙肢或者壁柱，减少弯矩对墙体的影响，控制剪力墙的平面外弯矩，把剪力墙拉通对直，避免叠合错洞墙和错洞剪力墙的出现，避免小墙肢在洞口与墙边的出现，增强抗震的能力。
二、剪力墙结构的设计
剪力墙长度和宽度尺寸与其厚度相比比较大，根据构件设计的要求不同，使用的设计长度与厚度则不同。一方面是墙肢的长度，剪力墙墙肢长度即为墙体截面高度，其长度不应超过8m。确保剪力墙结构的延性是设计剪力墙结构的关键。若要是避免脆性的剪切破坏，可将剪力墙设计成高宽比大于3的细高剪力墙结构。但有时由于墙体本身长度很大，要想保证比值大于3，就可以采用开洞的方法将其变为均匀的连肢体墙，而其洞口采用约束弯矩比较小的弱连梁的效果较好。另一方面是剪力墙墙肢的厚度，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定了剪力墙的最小厚度，以保证剪力墙出平面的刚度和稳定性。住宅建筑填充墙厚一般为200mm，相应剪力墙墙厚也取为200mm。对于无地下室的高层建筑，为避免发生墙厚大于填充厚度的情况，在布置剪力墙时，应结合建筑平面，尽量避免使用一字形剪力墙，而采用L、T、Z、十字形等截面形式。
按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中相关规定，抗震设计时，重力荷载代表值作用下，一、二、三级剪力墙墙肢的轴压比不宜超过表7.2.13的限值，若一、二、三级剪力墙底层墙肢截面的轴压比超过表7.2.14的规定值时，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应在底部加强部位及相邻的上一层根据规范设置约束边缘构件。
两端与剪力墙在平面内相连的梁为连梁，水平荷载作用下，墙肢如果发生弯曲变形，就会导致连梁产生内力，进而约束墙肢，减少墙肢的变形，改善其受力的状态。在剪力墙结构设计中，常会出现连梁超筋的问题，可以通过减小连梁的截面高度、调整塑形方面的处理、放弃对连梁的使用等诸多方面来进行解决。
三、剪力墙结构设计的优化措施
对建筑结构进行优化设计能够在保证安全性的前提下，有效降低工程成本，在剪力墙结构优化设计中需针对工程的特点，分析其中存在的主要问题，对其结构布置及设计等进行适当的调整。以下以某工程为例，对剪力墙结构的优化设计具体措施进行分析。
1、工程概况
某高层商住楼，地下两层，地上进31层，标准层高度为3.0m，建筑总高度为98.10m，总建筑面积约为2万m2，抗震设防烈度Ⅷ度，设计基本地震加速度值0.2g，设计地震分组为第二组，Ⅱ类场地，特征周期为0.55S，剪力墙抗震等级为一级，混凝土强度为C40～C25，采用纯剪力墙结构，墙肢底部加强部位宽350mm，以上逐步递增至200mm，通过分析SATWE计算结果发现该结构设计剪力墙的利用率较低，低层墙肢轴压比在0.37～0.43之间，结构位移较好，控制在1.2以内，且结构周期、位移角较小，整体偏刚。
（1）一般优化措施
剪力墙结构的设计主要可分为剪力墙结构设计和计算方面的优化，在进行结构优化设计时，不仅要注重设计方面，也要把计算列为其中重要的部分。
（1）剪力墙结构设计优化
在剪力墙结构设计过程中，应当注重抗震的作用，尽量避免单向布置，按照双向布置的原则，使受力方向的抗侧刚度逐渐接近，形成一个良好的空间结构。利用空间的充足性，减轻结构的重量。剪力墙的门窗洞口要成列布置，墙肢截面简单，与连梁分布规则，当出现错洞或者叠合错洞的情况下，腔内的配筋要形成框架的形式。由于剪力墙结构的抗侧刚度受布置结构影响较大，如果出现突变的情况，对抗震非常不利，在对剪力墙进行结构设计时，要坚持从上到下连续布置的原则，改变墙体的厚度和混凝土的强度等级，减小侧向沿高的高度；站在多种角度，从多方面出发，进行结构分析，注重和考虑抗震等级平均轴压比带来的影响及其稳定性的相关要求。
（2）剪力墙结构计算优化
在剪力墙结构计算方面进行优化时，应当遵循楼层最小剪力系数的调整原则、连梁超出限值的调整原则、楼层最大位移和层高之比的调整原则、结构扭转为主的第一自振周期和以平动为主的第一自振周期之间的比例调整原则，使计算结果无限地接近规范值。
3、具体优化设计措施
针对本工程剪力墙结构设计中存在的问题，采取的具体优化设计方法包括： （1）主体结构结构的抗侧刚度
在高层建筑单位建筑面积结构材料用量中，房屋层数与用于承担重力荷载的结构材料用量与成正比例，而用于抵抗侧力的结构材料数量，则以建筑层数的二次方的关系急剧增加，所以参考传统工程设计经验，高层建筑的各项计算指标能否通过规范要求，抗侧刚度起着决定性的作用。因此，高层建筑结构的抗侧刚度的计算确定，在高层建筑结构的设计中是十分重要的，它是整个建筑结构设计工作中最重要的基础核心工作。优化剪力墙抗侧刚度的常用措施有改变剪力墙的截面尺寸、调整剪力墙的混凝土强度等，在建筑高度及竖向荷载已知的情况下，剪力墙高宽比比较大， 而剪切变形的影响又比较小时，可取剪力墙的弯曲刚度作为设计变量，建立剪力墙抗侧刚度优化的数学模型，对设计进行优化。
（2）地震作用：
当前，一般高层建筑抗震作用的计算方法主要有振型分解反应谱法和底部剪力法两种，前者在国际上被普遍用来设计高层建筑的抗震性能，后者是在高层建筑结构抗震设计时，简化计算拟静力计算水平电算求解的一种方法，该方法方便运算，但是造成的数据误差较大，会造成结构刚度、质量沿竖向变化较大甚至结构明显不对称。但此方法被运用于抗侧刚度优化分析时，可以简化计算步骤，得出最佳抗侧刚度数据后，借助电子运算方法和振型分解反应谱法，使水平地震作用及其影响都能得出准确结果。
（3）建筑结构轻型化
目前我国剪力墙结构体系高层建筑，混凝土及钢材的强度等级一般不高，自重偏大，建筑结构轻型化后，能够节约建筑材料，减小结构截面，还有利于抗震性能的结构性改善，改变建筑在地震中的受力状态。结构轻型化的措施主要有：选用合理的楼盖结构形式，合理地确定楼盖结构的截面尺寸，有效减轻高层建筑的总重量；在满足结构层间侧移、强度延性及顶点侧移控制的基础上，掌握好墙体的厚度；采用质量较轻但强度较高的建筑材料，在保证墙体轻度之外，尽量减少建筑自重。
结语：
社会经济的发展，使土地利用率大幅度提高，土地资源越来越贫乏，高层建筑成为建筑业发展的一种趋势，剪力墙由此诞生。相对于其他建筑结构而言，剪力墙外观精美，经济适用，并且受到广大开发商和业主的喜爱，在建筑结构中应用越来越广泛，经济发展刺激着人们的生活需求，剪力墙的优化设计势在必行。
参考文献：
[1]李源新.高层建筑结构概念设计与高层剪力墙结构的优化[J].科技创新导报，2012，（15）：44.
浙江当代发展建筑设计院有限公司 浙江杭州 310000
摘要：随着高层化建筑应用的普遍性，剪力墙在建筑业中的要求也越来越迫切，对质量和性能方面提出了更高的要求。剪力墙结构通过用钢筋混凝土墙板代替框架结构中的梁柱，来承担各类荷载的内力，有效地控制结构的水平力，在抗震方面起到了良好的作用。本文主要就剪力墙结构优化设计的相关问题进行了探讨。
关键词：剪力墙；结构设计；优化设计
一、剪力墙结构的基本原则
剪力墙又被称为抗风墙、抗震墙、结构墙，既能够承担水平构件传来的竖向荷载，又能够承担风力或地震作用传来的水平地震作用，可以节约层高，空间利用比较好。剪力墙结构主要分为：实体墙或者截面剪力墙、整体小开口剪力墙、双肢或多肢剪力墙和壁式框架等，每一种剪力墙结构都有不同的形式和作用。
由于剪力墙平面外承载力和刚度很小，而平面内承载力和刚度则相对较大，要尽量避免平面外的搭接，因为在梁与剪力墙进行连接时，会产生平面外弯矩的现象，使剪力墙平面外的安全性受到威胁。在剪力墙结构设计中，连梁跨高比小于2.5或者大于5的时候，会出现弯矩，剪力也会超过规定的限值，对工程造价产生重大的影响。
剪力墙的布置主要是双向和多向的，应该从整体出发，贯穿整个建筑物，在较长的剪力墙设计过程中，要将剪力墙平均分成若干段，每个独立墙段的总高度与长度之比不宜小于3，墙段长度不宜大于8米，充分地发挥墙体配筋的作用。采用增加与沿梁轴线垂直的墙肢或者壁柱，减少弯矩对墙体的影响，控制剪力墙的平面外弯矩，把剪力墙拉通对直，避免叠合错洞墙和错洞剪力墙的出现，避免小墙肢在洞口与墙边的出现，增强抗震的能力。
二、剪力墙结构的设计
剪力墙长度和宽度尺寸与其厚度相比比较大，根据构件设计的要求不同，使用的设计长度与厚度则不同。一方面是墙肢的长度，剪力墙墙肢长度即为墙体截面高度，其长度不应超过8m。确保剪力墙结构的延性是设计剪力墙结构的关键。若要是避免脆性的剪切破坏，可将剪力墙设计成高宽比大于3的细高剪力墙结构。但有时由于墙体本身长度很大，要想保证比值大于3，就可以采用开洞的方法将其变为均匀的连肢体墙，而其洞口采用约束弯矩比较小的弱连梁的效果较好。另一方面是剪力墙墙肢的厚度，《高层建筑混凝土结构技术规程》规定了剪力墙的最小厚度，以保证剪力墙出平面的刚度和稳定性。住宅建筑填充墙厚一般为200mm，相应剪力墙墙厚也取为200mm。对于无地下室的高层建筑，为避免发生墙厚大于填充厚度的情况，在布置剪力墙时，应结合建筑平面，尽量避免使用一字形剪力墙，而采用L、T、Z、十字形等截面形式。
按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中相关规定，抗震设计时，重力荷载代表值作用下，一、二、三级剪力墙墙肢的轴压比不宜超过表7.2.13的限值，若一、二、三级剪力墙底层墙肢截面的轴压比超过表7.2.14的规定值时，以及部分框支剪力墙结构的剪力墙，应在底部加强部位及相邻的上一层根据规范设置约束边缘构件。
两端与剪力墙在平面内相连的梁为连梁，水平荷载作用下，墙肢如果发生弯曲变形，就会导致连梁产生内力，进而约束墙肢，减少墙肢的变形，改善其受力的状态。在剪力墙结构设计中，常会出现连梁超筋的问题，可以通过减小连梁的截面高度、调整塑形方面的处理、放弃对连梁的使用等诸多方面来进行解决。
三、剪力墙结构设计的优化措施
对建筑结构进行优化设计能够在保证安全性的前提下，有效降低工程成本，在剪力墙结构优化设计中需针对工程的特点，分析其中存在的主要问题，对其结构布置及设计等进行适当的调整。以下以某工程为例，对剪力墙结构的优化设计具体措施进行分析。
1、工程概况
某高层商住楼，地下两层，地上进31层，标准层高度为3.0m，建筑总高度为98.10m，总建筑面积约为2万m2，抗震设防烈度Ⅷ度，设计基本地震加速度值0.2g，设计地震分组为第二组，Ⅱ类场地，特征周期为0.55S，剪力墙抗震等级为一级，混凝土强度为C40～C25，采用纯剪力墙结构，墙肢底部加强部位宽350mm，以上逐步递增至200mm，通过分析SATWE计算结果发现该结构设计剪力墙的利用率较低，低层墙肢轴压比在0.37～0.43之间，结构位移较好，控制在1.2以内，且结构周期、位移角较小，整体偏刚。
（1）一般优化措施
剪力墙结构的设计主要可分为剪力墙结构设计和计算方面的优化，在进行结构优化设计时，不仅要注重设计方面，也要把计算列为其中重要的部分。
（1）剪力墙结构设计优化
在剪力墙结构设计过程中，应当注重抗震的作用，尽量避免单向布置，按照双向布置的原则，使受力方向的抗侧刚度逐渐接近，形成一个良好的空间结构。利用空间的充足性，减轻结构的重量。剪力墙的门窗洞口要成列布置，墙肢截面简单，与连梁分布规则，当出现错洞或者叠合错洞的情况下，腔内的配筋要形成框架的形式。由于剪力墙结构的抗侧刚度受布置结构影响较大，如果出现突变的情况，对抗震非常不利，在对剪力墙进行结构设计时，要坚持从上到下连续布置的原则，改变墙体的厚度和混凝土的强度等级，减小侧向沿高的高度；站在多种角度，从多方面出发，进行结构分析，注重和考虑抗震等级平均轴压比带来的影响及其稳定性的相关要求。
（2）剪力墙结构计算优化
在剪力墙结构计算方面进行优化时，应当遵循楼层最小剪力系数的调整原则、连梁超出限值的调整原则、楼层最大位移和层高之比的调整原则、结构扭转为主的第一自振周期和以平动为主的第一自振周期之间的比例调整原则，使计算结果无限地接近规范值。
3、具体优化设计措施
针对本工程剪力墙结构设计中存在的问题，采取的具体优化设计方法包括： （1）主体结构结构的抗侧刚度
在高层建筑单位建筑面积结构材料用量中，房屋层数与用于承担重力荷载的结构材料用量与成正比例，而用于抵抗侧力的结构材料数量，则以建筑层数的二次方的关系急剧增加，所以参考传统工程设计经验，高层建筑的各项计算指标能否通过规范要求，抗侧刚度起着决定性的作用。因此，高层建筑结构的抗侧刚度的计算确定，在高层建筑结构的设计中是十分重要的，它是整个建筑结构设计工作中最重要的基础核心工作。优化剪力墙抗侧刚度的常用措施有改变剪力墙的截面尺寸、调整剪力墙的混凝土强度等，在建筑高度及竖向荷载已知的情况下，剪力墙高宽比比较大， 而剪切变形的影响又比较小时，可取剪力墙的弯曲刚度作为设计变量，建立剪力墙抗侧刚度优化的数学模型，对设计进行优化。
（2）地震作用：
当前，一般高层建筑抗震作用的计算方法主要有振型分解反应谱法和底部剪力法两种，前者在国际上被普遍用来设计高层建筑的抗震性能，后者是在高层建筑结构抗震设计时，简化计算拟静力计算水平电算求解的一种方法，该方法方便运算，但是造成的数据误差较大，会造成结构刚度、质量沿竖向变化较大甚至结构明显不对称。但此方法被运用于抗侧刚度优化分析时，可以简化计算步骤，得出最佳抗侧刚度数据后，借助电子运算方法和振型分解反应谱法，使水平地震作用及其影响都能得出准确结果。
（3）建筑结构轻型化
目前我国剪力墙结构体系高层建筑，混凝土及钢材的强度等级一般不高，自重偏大，建筑结构轻型化后，能够节约建筑材料，减小结构截面，还有利于抗震性能的结构性改善，改变建筑在地震中的受力状态。结构轻型化的措施主要有：选用合理的楼盖结构形式，合理地确定楼盖结构的截面尺寸，有效减轻高层建筑的总重量；在满足结构层间侧移、强度延性及顶点侧移控制的基础上，掌握好墙体的厚度；采用质量较轻但强度较高的建筑材料，在保证墙体轻度之外，尽量减少建筑自重。
结语：
社会经济的发展，使土地利用率大幅度提高，土地资源越来越贫乏，高层建筑成为建筑业发展的一种趋势，剪力墙由此诞生。相对于其他建筑结构而言，剪力墙外观精美，经济适用，并且受到广大开发商和业主的喜爱，在建筑结构中应用越来越广泛，经济发展刺激着人们的生活需求，剪力墙的优化设计势在必行。
参考文献：
[1]李源新.高层建筑结构概念设计与高层剪力墙结构的优化[J].科技创新导报，2012，（15）：44.