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摘要:剪力墙是近年来发展速度较快的一种结构体系，具有诸多的优点，目前在城市高层住宅建设中得到应用及推广。本文结合工程实例，介绍了住宅建筑结构特点，着重就高层住宅剪力墙结构设计进行探讨，并深入阐述了剪力墙结构优化工作，以供实践借鉴。
关键词:高层住宅；剪力墙；结构布置；优化设计
中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
剪力墙作为一种新型的结构体系，具有结构刚度大、整体性好、用钢量少和施工方便等优点，能够承担各类荷载引起的内力，且可以有效控制结构的水平力，目前剪力墙结构在高层住宅建筑中有着广泛的应用及推广。但剪力墙结构属于复杂高层建筑结构，其抗震性能与普通高层结构相比更为不利，若设计人员没有做好住宅建筑剪力墙结构的设计工作，很可能影响到剪力墙整体性能的发挥，甚至影响到住宅建筑的质量安全。因此，建设单位必须清晰认识到剪力墙结构设计的重要性，通过探讨剪力墙结构的设计工作，采取必要的防震措施，并在确保安全的基础上对剪力墙结构进行优化设计，从而有效提高住宅建筑的抗震性能及经济性。
1 工程概况
某高层剪力墙住宅抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，建筑物场地类别为III类场地，场地特征周期为0.45s，设防类别为标准设防类。本工程为地下1层，地上18层的带错层高层剪力墙结构住宅，建筑总长度为30.6m，总宽度为15.2m，屋面高度为54.0m，室内外高差0.3m，高宽比约为3.6，长宽比约为2.0，非错层部位层高3.0m，错层部位层高为4.5m，在高度方向将3个3.0m设计成2层，每隔3层(9m)，有一个平层，平层处楼板是拉通的。错层部分所占平面比例约为35%，标准层平面和剖面图见图1。
图1 楼层错层平面及剖面
2 结构布置
从图1a可以看出，本工程建筑平面布置基本对称和规则的，因此结构的平面布置也是基本对称的，是规则的，这样就避免了引起较大的扭转效应，同时，为了减少竖向抗侧力结构的不规则程度和错层对剪力墙的不利影响，与建筑专业充分协调，尽量避免在受力复杂的错层处的剪力墙上开洞。另外，从图1b可以看出，本工程每隔3层(错层)有一平层，平层楼板相连通，这些平层加强了各竖向抗侧力结构构件之间的联系，协调了非错层及错层竖向构件的差异变形，作用非常重要。鉴于此，对平层的构造措施进行了加强，使其更有效地传递地震产生的剪切作用力。
3 分析结果论述
根据JGJ3—2010第10.1.1条规定，错层剪力墙结构属于复杂高层建筑结构。JGJ3—2010第5.1.12条规定，应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力分析计算，所以除了用SATWE计算外，还采用了MIDAS和ETABS两种软件对本结构进行整体内力分析，并对三种不同软件的计算结果进行了对比分析。
运用SATWE分析时，错开的楼层均各自参加结构整体计算，故结构建模时按每个错开楼层进行建模。选取计算参数时，结构体系采用复杂高层结构，考虑平扭耦连计算结构的扭转效应，并考虑偶然偏心。根据JGJ3—2010第3.9.3条的规定，设防烈度为7度，房屋高度不大于60m的一般剪力墙结构，其剪力墙抗震等级应为三级。
3.1 周期及剪重比
根据JGJ3—2010第3.4.5条的要求，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，A级高度高层建筑不应大于0.9。B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及JGJ3—2010第10章所指的复杂高层建筑(含错层结构)不应大于0.85。为了控制结构的在地震作用下的扭转效应，侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的相对关系，因此JGJ3—2010用周期比来反映整体结构的抗扭能力，三种不同分析软件计算所得的周期及周期比见表1。
表1 周期比
由表1可以看出，对于错层剪力墙结构，三种软件计算的周期值稍有差异，第一扭转周期和第一平动周期的比值相差很小。计算时应该注意，必须在强制刚性楼板假定下进行计算，这样才能消除错层结构中的局部振动。
3.2 结构平面不规则验算
根据JGJ3—2010第3.4.5条的要求，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及JGJ3—2010第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。位移比反映的是结构平面布置的规则性，其目的也是限制结构的扭转效应，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。由于本工程为错层结构，输出的计算结果是每个结构层的位移比，也包括错层部位，这种结果是不准确的，根据相关资料，可以采用按实际层考虑错层结构中的位移比及层间位移角的方法，即某一竖向构件以有水平构件(有楼板相连)为准设为一实际层，通过选用位移详细输出，每层每个点的位移均能输出。由于最大位移往往发生在建筑物的四角，所以可以取建筑物四角的实际层的位移差来计算最大层间位移比和层间位移角，取楼层的两个角点计算位移的平均值，并在此基础上计算位移比及层间位移角，最大水平位移也可取建筑物四角的位移值，以此来计算最大水平位移比，从而解决位移比问题。图2为三种分析软件计算所得的位移角曲线对比。
a—X向；b—Y向
1—SATWE结果；2—ETABS结果；3—MIDAS结果
图2 X、Y向位移角
从图2的位移曲线对比圖可以看出，本工程虽然有错层的存在，但整体变形曲线与一般剪力墙结构的变形曲线形状大体一致，没有明显的变形突变。
3.3 楼层薄弱层验算
根据JGJ3—2010第3.5.3条规定，A级高度高层建筑楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%。根据程序的计算结果，层间受剪承载力满足规范的要求，即没有薄弱层。
从图3所示的楼层地震剪力曲线可以看出，与一般剪力墙结构一样，从下到上是逐层递减的，没有明显的剪力突变，曲线大致光滑。
a—X向；b—Y向
1—SATWE结果；2—ETABS结果；3—MIDAS结果
图3 X、Y向楼层剪力
3.4 弹性时程分析
根据JGJ3—2010第5.1.13条的规定，复杂高层应采用弹性时程分析法进行补充计算。时程分析选波时:应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其中天然波TH3TG065，特征周期0.65s，有效峰值加速度35cm/s2，持续时间40s；人工波RH2TG055，特征周期0.55s，有效峰值加速度35cm/s2，持续时间40s；天然波TH3TG045，特征周期0.45s，有效峰值加速度35cm/s2，持续时间30s，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
4 优化设计
经过对三种不同分析软件计算结果的对比分析，对施工图进行了如下优化设计:
1)抗震等级的合理选取:非错层部位框架梁的抗震等级采用三级，错层处的框架梁的抗震等级提高一级按二级采用，并适当加强纵筋和箍筋的配筋量。错层处剪力墙抗震等级提高一级按二级采用，剪力墙厚度为250mm，设置约束边缘构件，水平和竖向分布筋配筋率均不小于0.5%，其他非错层部位剪力墙抗震等级按三级采用，剪力墙厚度均为200mm，加强区设置约束边缘构件，非加强区设置构造边缘构件，水平和竖向分布筋配筋率均不小于0.3%，这样避免了全都采用二级梁和剪力墙带来的浪费。
2)考虑到错层部位的结构楼板受力较复杂，且易产生应力集中，本工程楼板厚度适当加强。楼板厚度除一层嵌固端为180mm厚外，其余各层楼板板厚最小取120mm(个别跨度较大的楼板厚度按实际需要)，错层范围内的楼板采用双层双向配筋，错层部位每个方向单层钢筋的配筋率不小于0.25%，如图4所示。
3)平层处的楼板采用除适当加厚处理外，还增加部分通长钢筋的方法进行适当加强，在保证满足规范和安全的前提下，最大限度的降低工程造价，达到经济合理的目标。
注:－－－表示抗震等级为二级的错层处剪力墙。
图4 典型平面配筋
5 结语
通过分析住宅建筑剪力墙结构设计工作，笔者得出了以下几点建议：①剪力墙结构具有结构复杂；抗震性能差和受力复杂等特点，在设计过程中应采用平面布置规则的结构体系，以减少扭转效应；②平层楼板课通过加厚楼板厚度、加强配筋来促进平层楼板在各竖向抗侧力结构间的联系，加强抗震的有效传递；③在进行结构分析时，应采用不同力学模型的软件分别计算，并根据规范的要求采用弹性时程分析法进行补充计算，从而更好的保证结构在地震作用下的安全性和可靠性；④本工程在满足建筑功能和安全的前提下，最大限度的降低了工程造价，受到业主及参建方的一致好评。
参考文献
[1] 王彦春.高层住宅剪力墙结构设计浅析[J].建筑与文化.2012年第07期
[2] 许昭.高层住宅剪力墙结构的特点及设计优化探讨[J].江西建材.2012年第03期
关键词:高层住宅；剪力墙；结构布置；优化设计
中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
剪力墙作为一种新型的结构体系，具有结构刚度大、整体性好、用钢量少和施工方便等优点，能够承担各类荷载引起的内力，且可以有效控制结构的水平力，目前剪力墙结构在高层住宅建筑中有着广泛的应用及推广。但剪力墙结构属于复杂高层建筑结构，其抗震性能与普通高层结构相比更为不利，若设计人员没有做好住宅建筑剪力墙结构的设计工作，很可能影响到剪力墙整体性能的发挥，甚至影响到住宅建筑的质量安全。因此，建设单位必须清晰认识到剪力墙结构设计的重要性，通过探讨剪力墙结构的设计工作，采取必要的防震措施，并在确保安全的基础上对剪力墙结构进行优化设计，从而有效提高住宅建筑的抗震性能及经济性。
1 工程概况
某高层剪力墙住宅抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，建筑物场地类别为III类场地，场地特征周期为0.45s，设防类别为标准设防类。本工程为地下1层，地上18层的带错层高层剪力墙结构住宅，建筑总长度为30.6m，总宽度为15.2m，屋面高度为54.0m，室内外高差0.3m，高宽比约为3.6，长宽比约为2.0，非错层部位层高3.0m，错层部位层高为4.5m，在高度方向将3个3.0m设计成2层，每隔3层(9m)，有一个平层，平层处楼板是拉通的。错层部分所占平面比例约为35%，标准层平面和剖面图见图1。
图1 楼层错层平面及剖面
2 结构布置
从图1a可以看出，本工程建筑平面布置基本对称和规则的，因此结构的平面布置也是基本对称的，是规则的，这样就避免了引起较大的扭转效应，同时，为了减少竖向抗侧力结构的不规则程度和错层对剪力墙的不利影响，与建筑专业充分协调，尽量避免在受力复杂的错层处的剪力墙上开洞。另外，从图1b可以看出，本工程每隔3层(错层)有一平层，平层楼板相连通，这些平层加强了各竖向抗侧力结构构件之间的联系，协调了非错层及错层竖向构件的差异变形，作用非常重要。鉴于此，对平层的构造措施进行了加强，使其更有效地传递地震产生的剪切作用力。
3 分析结果论述
根据JGJ3—2010第10.1.1条规定，错层剪力墙结构属于复杂高层建筑结构。JGJ3—2010第5.1.12条规定，应采用至少两个不同力学模型的三维空间分析软件进行整体内力分析计算，所以除了用SATWE计算外，还采用了MIDAS和ETABS两种软件对本结构进行整体内力分析，并对三种不同软件的计算结果进行了对比分析。
运用SATWE分析时，错开的楼层均各自参加结构整体计算，故结构建模时按每个错开楼层进行建模。选取计算参数时，结构体系采用复杂高层结构，考虑平扭耦连计算结构的扭转效应，并考虑偶然偏心。根据JGJ3—2010第3.9.3条的规定，设防烈度为7度，房屋高度不大于60m的一般剪力墙结构，其剪力墙抗震等级应为三级。
3.1 周期及剪重比
根据JGJ3—2010第3.4.5条的要求，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，A级高度高层建筑不应大于0.9。B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及JGJ3—2010第10章所指的复杂高层建筑(含错层结构)不应大于0.85。为了控制结构的在地震作用下的扭转效应，侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的相对关系，因此JGJ3—2010用周期比来反映整体结构的抗扭能力，三种不同分析软件计算所得的周期及周期比见表1。
表1 周期比
由表1可以看出，对于错层剪力墙结构，三种软件计算的周期值稍有差异，第一扭转周期和第一平动周期的比值相差很小。计算时应该注意，必须在强制刚性楼板假定下进行计算，这样才能消除错层结构中的局部振动。
3.2 结构平面不规则验算
根据JGJ3—2010第3.4.5条的要求，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及JGJ3—2010第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。位移比反映的是结构平面布置的规则性，其目的也是限制结构的扭转效应，避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。由于本工程为错层结构，输出的计算结果是每个结构层的位移比，也包括错层部位，这种结果是不准确的，根据相关资料，可以采用按实际层考虑错层结构中的位移比及层间位移角的方法，即某一竖向构件以有水平构件(有楼板相连)为准设为一实际层，通过选用位移详细输出，每层每个点的位移均能输出。由于最大位移往往发生在建筑物的四角，所以可以取建筑物四角的实际层的位移差来计算最大层间位移比和层间位移角，取楼层的两个角点计算位移的平均值，并在此基础上计算位移比及层间位移角，最大水平位移也可取建筑物四角的位移值，以此来计算最大水平位移比，从而解决位移比问题。图2为三种分析软件计算所得的位移角曲线对比。
a—X向；b—Y向
1—SATWE结果；2—ETABS结果；3—MIDAS结果
图2 X、Y向位移角
从图2的位移曲线对比圖可以看出，本工程虽然有错层的存在，但整体变形曲线与一般剪力墙结构的变形曲线形状大体一致，没有明显的变形突变。
3.3 楼层薄弱层验算
根据JGJ3—2010第3.5.3条规定，A级高度高层建筑楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不宜小于其相邻上一层受剪承载力的80%，不应小于其相邻上一层受剪承载力的65%。根据程序的计算结果，层间受剪承载力满足规范的要求，即没有薄弱层。
从图3所示的楼层地震剪力曲线可以看出，与一般剪力墙结构一样，从下到上是逐层递减的，没有明显的剪力突变，曲线大致光滑。
a—X向；b—Y向
1—SATWE结果；2—ETABS结果；3—MIDAS结果
图3 X、Y向楼层剪力
3.4 弹性时程分析
根据JGJ3—2010第5.1.13条的规定，复杂高层应采用弹性时程分析法进行补充计算。时程分析选波时:应按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组实际地震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其中天然波TH3TG065，特征周期0.65s，有效峰值加速度35cm/s2，持续时间40s；人工波RH2TG055，特征周期0.55s，有效峰值加速度35cm/s2，持续时间40s；天然波TH3TG045，特征周期0.45s，有效峰值加速度35cm/s2，持续时间30s，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，且弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。
4 优化设计
经过对三种不同分析软件计算结果的对比分析，对施工图进行了如下优化设计:
1)抗震等级的合理选取:非错层部位框架梁的抗震等级采用三级，错层处的框架梁的抗震等级提高一级按二级采用，并适当加强纵筋和箍筋的配筋量。错层处剪力墙抗震等级提高一级按二级采用，剪力墙厚度为250mm，设置约束边缘构件，水平和竖向分布筋配筋率均不小于0.5%，其他非错层部位剪力墙抗震等级按三级采用，剪力墙厚度均为200mm，加强区设置约束边缘构件，非加强区设置构造边缘构件，水平和竖向分布筋配筋率均不小于0.3%，这样避免了全都采用二级梁和剪力墙带来的浪费。
2)考虑到错层部位的结构楼板受力较复杂，且易产生应力集中，本工程楼板厚度适当加强。楼板厚度除一层嵌固端为180mm厚外，其余各层楼板板厚最小取120mm(个别跨度较大的楼板厚度按实际需要)，错层范围内的楼板采用双层双向配筋，错层部位每个方向单层钢筋的配筋率不小于0.25%，如图4所示。
3)平层处的楼板采用除适当加厚处理外，还增加部分通长钢筋的方法进行适当加强，在保证满足规范和安全的前提下，最大限度的降低工程造价，达到经济合理的目标。
注:－－－表示抗震等级为二级的错层处剪力墙。
图4 典型平面配筋
5 结语
通过分析住宅建筑剪力墙结构设计工作，笔者得出了以下几点建议：①剪力墙结构具有结构复杂；抗震性能差和受力复杂等特点，在设计过程中应采用平面布置规则的结构体系，以减少扭转效应；②平层楼板课通过加厚楼板厚度、加强配筋来促进平层楼板在各竖向抗侧力结构间的联系，加强抗震的有效传递；③在进行结构分析时，应采用不同力学模型的软件分别计算，并根据规范的要求采用弹性时程分析法进行补充计算，从而更好的保证结构在地震作用下的安全性和可靠性；④本工程在满足建筑功能和安全的前提下，最大限度的降低了工程造价，受到业主及参建方的一致好评。
参考文献
[1] 王彦春.高层住宅剪力墙结构设计浅析[J].建筑与文化.2012年第07期
[2] 许昭.高层住宅剪力墙结构的特点及设计优化探讨[J].江西建材.2012年第03期