基于高层住宅中混凝土剪力墙结构优化设计研究

关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计 

　　随着建筑工程技术地不断提高以及节约土地资源，人们的住宅也逐渐由低层建筑发展到高层建筑。所谓高层建筑，它主要是相对于多层建筑而言的，评判一个建筑是否为高层建筑，主要有两个评判指标，即高度以及层数两个标准。目前，国家尚未对多少层数为高层建筑有一个划分的标准。因此，这就使得高层建筑这个概念在不同的国家和地区，有着不同的规定和标准。对于高层建筑的规定，主要是与这个国家和地区的经济条件，建筑技术、消防设置以及电梯设备等多方面的因素有极大的关系。例如在英国规定建筑高度为超过24.3m的建筑为高层建筑；在日本则规定楼层超过8层或是楼高大于31m的建筑为高层建筑；在我国，则规定超过10层或是高度超过28m的为高层建筑。由于高层建筑本身具有一定的特殊性，对建筑技术的要求也比普通建筑要高。本文主要攫取了高层住宅中混凝土剪力墙结构优化设计进行了研究和阐述。 

　　1　高层建筑结构的类型 

　　按照使用的材料区分，高层建筑可采用砌体结构、混凝土结构、钢结构和钢一混凝土混合结构等类型。 

　　砌体结构虽然具有取材容易、施工简便、造价低廉等优点，但由于砌体是一种脆性材料，其抗拉、抗弯、抗剪强度均较低，抗震性能较差，现代高层建筑很少采用无筋砌体结构建造。在砌体内配置钢筋后，可大大的改善砌体的受力性能，使之用于建造地震区和非地震区的中高层建筑成为可能。 

　　混凝土结构具有取材容易、良好的耐久性和耐火性、承载能力大。刚度好、节约钢材、降低造价、可模性好以及能浇制成各种复杂的截面和形状等优点，现浇整体式混凝土结构还具有整体性好，经过合理设计，可获得较好的抗震性能。混凝土结构布置灵活方便，可组成各种结构受力体系，在高层建筑中得到了广泛的应用，特别是在我国和其他一些发展中国家，高层建筑主要以混凝土结构为主。钢结构具有材料强度高、截面小、自重轻、塑性和韧性好、制造简便、施工周期短、抗震性能好等优点，在高层建筑中也有着较广泛的应用。但由于高层建筑钢结构用钢量大，造价高，再加之因钢结构防火性能差，需要采取防火保护措施，增加了工程造价。钢结构的应用还受钢铁产量和造价的限制，在发达国家，高层建筑的结构类型主要以钢结构为主。近年来，随着我国国民经济的增强和钢产量的大幅度提高以及高层建筑建造高度的增加，采用钢结构的高层建筑也不断地增多。特别是对地基条件差或抗震要求高，而高度又较大的高层建筑，更适合采用钢结构。 

　　钢一混凝土组合结构或混合结构不仅具有钢结构自重轻、截面尺寸小、施工进度快、抗震性能好等特点，同时还兼有混凝土结构刚度大、防火性能好、造价低的优点，因而被认为是一种较好的高层建筑结构形式，近年来在我国发展迅速。组合结构是将钢材放在构件内部，外部由钢筋混凝土做成(称为钢骨混凝土)，或在钢管内部填充混凝土，做成外包钢构件(称为钢管混凝土)。如北京的香格里拉饭店(24层，高83m)采用钢骨混凝土柱，正在建设的上海环球金融中心大厦(95层，460m)和陕西信息大厦(52层，高189m)均采用钢骨混凝土框筒结构，深圳的赛格广场大厦(76层，高292m)采用圆钢管混凝土柱，香港中心大厦(70层，高292m)和台北国际金融中心大厦均采用方钢管混凝土柱。混合结构一般是指由钢筋混凝土或钢骨混凝土剪力墙(或筒体)以及钢框架组成的抗侧力体系。 

　　2　剪力墙结构分析与设计 

　　剪力墙结构是指纵横向主要承重构件全部为结构墙的结构。如果墙体在建筑物中的位置合适，就会形成一个可以很好的抵抗水平力的结构体系，同时还能够分割空间。通常情况下结构墙的高度与整个房间的一样，从基础到屋顶有几十到一百多米高，宽度则是根据建筑的平面布置确定的，通常在几米到十几米之间；其厚度相对来说就要薄的多了，通常在200cm-300cm之间，最薄的仅有160cm。所以在一个墙体平面内有结构墙存在时就会有很大的侧移刚度，但墙体外的刚度就非常小，通常可以忽略不计。因此结构墙承载着来自于建筑的大部分水平作用或水平剪力，剪力墙名称的形成也在于此。实际上更确切的来说，剪力墙应该叫做结构墙。在国外的一些文献中已经开始用结构墙开称呼它，在本文中依旧按照我国工程界的习惯，用剪力墙来称呼它。 

　　2.1　剪力墙结构的形式单片剪力墙可根据其本身开洞率对其受力特性的影响分为若干类型。 

　　2.1.1　无洞单肢剪力墙剪力墙的立面上没有任何洞口。这种墙实际上是一竖向悬臂构件，经水平荷载的作用，发生弯曲变形与平截面假定相符，正应力在墙肢截的分布是直线形。可以用应用材料力学方法来计算它的内力和变形。 

　　2.1.2　整体墙和小开口整体墙墙面上只有很小的洞口，可以忽略其影响。这种类型的剪力墙实际上仍然是一个悬臂构件，其横截面的变形符合平而假定，正应力为直线分布，称为整体墙。当开洞稍大一些，墙肢应力中出现由局部弯曲引起的应力，但其值不超过整体弯曲应力的15％。可以认为其墙肢截面的变形仍符合平面假定，可以按材料力学方法计算应力，然后加以修正。这种墙称为小开口整体墙。 

　　2.1.3　联肢墙在实际工程中，有些剪力墙是由许多受弯构件连接在一起的。例如，住宅建筑和旅馆建筑中，墙体上由大量竖向排列的洞口，在外墙上，这些洞口一般是窗口，而在建筑的内部，这些洞口大部分是门洞或走道。在设计中，这些洞口将一片整墙分开为由连梁或楼板连接的墙肢，就形成了所谓的联肢墙。一般地，开有一排或数排较大洞口的剪力墙，其截面整体性已经破坏，平荷载作用下正应力的分布较直线规律有较大的差别。但墙肢的线刚度比同列两孔间所形成的连梁的线刚度大得多，每根连梁中部都有反弯点，而墙肢仅在少数楼层出现反弯点。即在水平荷载作用下，所有的连梁都呈现双曲率弯曲形态，而大部分的墙肢都呈现单曲率弯曲形态，墙肢变形仍以弯曲变形为主。这种剪力墙可视为由连梁把墙肢连接起来的结构，故称之为联肢墙。若只开有一列洞口，称为双肢墙；开有两列及以上的。称为多肢墙。 

　　2.1.4　短肢剪力墙与普通的剪力墙相比，短肢剪力场结构体系具有以下特点：①布置灵活，建筑功能容易满足，尤其适用于建造11―20层住宅，即所谓的小高层住宅，且造价相对于普通的剪力墙结构较低。②可以开较大的洞口，结构自重比较轻侧移刚度较小、结构柔，地震作用较小；建筑上可以获得良好的采光与通风效果。③

 

短肢剪力墙一般为高剪力墙(高宽比大干2)，故水平荷载作用下墙体的破坏一般都呈弯曲状。同时连粱截面的跨高比大，故连梁的破坏也呈弯曲状。所以，短肢剪力场具有较大的延性。 

　　2.1.5　开有不规则洞口的剪力墙开设不规则的较大洞口仅是由于建筑使用上的要求，在结构上往往会产生一些不利的影响，故宜尽量避免采用。当无法避免时，亦宜采用一些结构措施.以消除或降低不利因素的影响。例如，开设一些不需要开设的洞口；使剪力墙的开洞变为规则或接近规则，如有需要则用刚度小的材料堵塞这些本来不需开设的洞口，在剪力墙中设置连续性较强的暗柱暗梁，以降低不规则开洞带来较大应力集中的不利影响等。 

　　2.2　结构布置 

　　2.2.1　墙体承重方案①小开间横墙承重。每开间设置一道钢筋混凝土承重横墙，间距为2.7-3.9m，横墙上放置预制空心板。这种方案适用于住宅、旅馆等使用上要求小开间的建筑。其优点是一次完成所有墙体，省去砌筑隔墙的工作量；采用短向楼板，节约钢筋等。但此种方案的横墙数量多，墙体的承载力未充分利用，建筑平面布置不灵活，房屋自重及侧向刚度大，自振周期短，水平地震作用大。②大间距纵、横墙承重。仍是每两开间设置一道钢筋混凝土横墙，间距为8m左右。楼盖或采用钢筋混凝土双向板，或在每两道横墙之间布置一根进深梁，梁支承于纵墙上，形成纵、横墙混合承重。 

　　2.2.2　剪力墙的布置①剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜分别联结在一起，应尽量拉通、对直，以具有较好的空间工作性能i抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式，宜使两个方向侧向刚度接近，两个方向的自振周期宜相近。剪力墙墙肢截面宜简单、规则。②剪力墙的侧向刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增大结构的可利用空间，剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度：若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大，对结构受力不利。③剪力墙宜自下到上连续布置，避免刚度突变：允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向刚度沿高度逐渐减小。剪力墙沿高度不连续，将造成结构沿高度刚度突变，对结构抗震不利。④剪力墙洞口的布置，会极大地影响剪力墙的力学性能。为此规定剪力墙的门窗洞口宜上下对齐，成列布置，能形成明确的墙肢和连梁，应力分布比较规则，又与当前普遍应用的计算简图较为符合，设计结果安全可靠。 

　　2.2.3　高度和高宽比的控制房屋的高度是指室外地面至主要屋面的高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度：表中的框架结构不包括异形柱框架结构；部分框支剪力墙结构是指地面以上有部分框支努力墙的结构；平面或竖向均不规则的结构或IV类场地上的结构，最大高度应适当降低：A级高度的甲类建筑，6、7、8度抗震设计时，宜按本地区抗震设防烈度提高一度后符合要求，9度时应做专门研究；B级高度的甲类建筑，6、7度时，宜按本地区抗震设防烈度提高一度后符合要求，8度时应做专门研究：9度抗震设防应该具体研究。 

　　3　结论 

　　综上所述，土木建筑工程结构的优化实际上应该经历以下四个层次：结构功能的优化――结构的选型优化――结构设防荷载的决策――最优设防荷载条件下的最小造价设计，总之，应该在结构的功能优化中决策结构整体的主要尺寸和性能要求：在结构选型中决策结构的类型、布局、拓扑和建筑材料：在设防水平决策中确定结构的最优设防荷载i因而狭义的结构优化设计指的只是在结构的功能、选型、材料、拓扑、形状和荷载决定之后对结构细部尺寸的优化，可简称为结构的变量优化设计。 

　　参考文献： 

　　[1]姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[D][重庆大学硕士学位论文]重庆：重庆大学土木工程学院，2006：22-30 

　　[2]王月华.七度区高层剪力墙数量优化研究[D]：[中国石油大学硕士学位论文].山东：中国石油大学(华东)建筑工程与力学学院，2006：5-21 

　　[3]曹扬，李杰.双连梁短肢剪力墙结构非线性损伤分析[J]同济大学学报，2007，35(12)：1587-1591