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【摘 要】：结合实际工程，给出了剪力墙结构设计中计算分析、结构构造措施。在保证建筑功能和结构安全的前提下，尽量控制结构成本。
【关键词】结构布置;剪力墙设计;成本控制;构造措施
中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：
剪力墙结构因其抗侧移刚度大，承载力较高，抗震性能好和良好的经济性能，在高层建筑中的应用越来越广泛。在确保实现建筑功能和结构安全的前提下，将资源进行合理配置，从而做到技术先进，经济合理，是结构设计追求的目标。本文通过实例分析，探讨关于高层剪力墙结构设计要点。
一、工程概况及结构布置
(一)工程概况。该工程为剪力墙结构，地下2层，地上29层，带三层裙房，建筑总高度为87.3m。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0．2g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s，抗震等级为一级，基本风压为0．40KN/m2(100年一遇)，地面粗糙度类别为B类，其它使用荷载按规范取值。
(二)结构布置。
结构标准层剪力墙平面布置图见图1。
图1 标准层剪力墙平面布置图
1.剪力墙布置。剪力墙布置的原则是加强建筑周边刚度，减小建筑中心刚度;同时控制短肢剪力墙数量，减少边缘构件，从而降低结构用钢量。
2.梁、板布置。高层住宅中，梁板跨度一般不大，楼层梁的布置应有明确的传力路径，尽量避免多重的传力情况。
(三)结构规则性判断。规则的结构体系受力明确，能很好的实现结构工程师对概念设计的理念，是结构设计优先选择的方案。
1.平面规则性判断。结构平面应力求简单、规则，避免刚度、质量和承载力分布不均匀。由图1看出结构中部由于电梯间、楼梯间开洞及建筑造型要求形成薄弱部位，这部分采取以下措施：增加楼、电梯间四周板厚(取120mm，HRB400级8@150双层双向拉通配筋)，在中
部建筑凹槽处增加结构楼板（120mm厚板）以控制中部楼板开洞率不大于50%，且将凹槽两边板适当加厚(取120mm)。通过以上措施减少开洞对结构的不利影响。
2.竖向规则性判断。结构竖向不规则指刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变。《高规》中规定剪力墙结构中，楼层与其相邻上层的侧向刚度的比值不宜小于0.9，当本层层高大于相邻上层层高的1．5倍时，该比值不宜小于1．1。本工程二层建筑层高（4.5m）是三层建筑层高(2.9m)的1.55倍，计算结果中第二层与第三层X向侧向刚度比值为0.9757<1.1，Y向侧向刚度比值为1．2305＞1.1，故第二层为薄弱层，该层地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数。
二、计算分析
采用PKPM中的SATWE分析软件，-1～3层定义为底部加强部位，考虑5%偶然偏心，风荷载体型系数取1．3，连梁刚度折减系数0.6，周期折减系数0.95，计算结果分析如下:
(一)嵌固端判定。嵌固部位关系到结构计算模型与实际受力状态之间的符合程度，涉及到构件内力和位移计算。本工程地下二层，选取负一层顶（0.000）作为该楼的嵌固端。计算结果中X向地上一层与地下一层侧移刚度比值为0．3873，Y向地上一层与地下一层侧移刚度比值为0.4868，满足《建筑抗震设计规范》（简称《抗规》）作为上部结构的嵌固端的要求。
(二)最大层间位移角。在正常使用条件下，结构应具有足够的刚度，来满足结构的承载力、稳定和使用要求，这就要对结构的位移进行控制。实际的计算结果如下:X方向最大层间位移角为1/1004， Y方向最大层间位移角为1/1038，结构满足弹性状态下的正常使用要求。
(三)结构抗扭刚度。地震作用下，扭转效应会导致结构严重破坏，对高层建筑的抗震极为不利。《高规》中把位移比和周期比作为控制高程建筑结构平面不规则扭转效应的重要指标。计算结果中，考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X，Y方向的平动系数、扭转系数见表1。
表1 平动系数、扭转系数
由表1中数据可得以扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期比值为0．766＜0．9，结构具有一定的抗扭刚度。
(四)结构整体稳定验算。在水平风荷载或水平地震荷载作用下，影响高层建筑结构整体稳定的因素主要是结构的刚重比。当结构的刚重比小于结构的最低要求时，结构重力的P－△效应会急剧增加，可能会导致结构的整体失稳。在水平力作用下，高层剪力墙结构的变形形态为弯剪型，当结构的刚重比小于1．4时，会导致P－△效应快速增加，甚至导致结构失稳，这是刚重比的下限要求；当结构的刚重比大于2．7时，重力P－△导致内力和位移增量在5%左右，即使结构的实际刚度折减50%的情况下，重力P－△效应仍可控制在20%以内，重力二阶影响很小，可以忽略不计。计算结果中:X向刚重比EJd/GH2=5.61;Y向刚重比EJd/GH2=6.04，两个方向的刚重比均大于2．7，可以不考虑重力二阶效应。程序自动计算.
(五)水平地震剪力系数。对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的影响，目前规范所采用的阵型分解反应谱法尚无法对此作出评估，出于对结构安全的考虑，提出了对结构中水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求，《抗规》5．2．5以强制性条文对水平剪力系数作了规定。在水平地震作用下本工程水平地震剪力系数最小值为0．032，计算结果中首层水平地震剪力系数为0．0306<0.032，根据《抗规》5．2．5，对结构各层的剪力及倾覆力矩和位移均应进行调整。程序自動调整.
三、结语
通过上面实例分析可以看出，剪力墙结构设计首先要确定合理可行的结构方案，把握好结构体型、刚度分布、构件传力路径及延性等几个主要方面，利用计算软件实现概念设计的目的，再加以必要的抗震构造措施，使结构具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。其次通过计算结果中各参数判断设计的合理和经济性。另外，在设计中应考虑成本控制，比如剪力墙结构中下部承载力最大，可采用较高强度的混凝土来满足轴压比的要求，用较低强度混凝土过度代换，受力主筋采用HRB400高强钢筋，能发挥钢筋的抗拉性能，节省钢筋用量，从而达到节省建筑成本的目的。
【参考文献】：
【1】.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3－2010)【M】.北京:中国建筑工业出版社
【2】.建筑抗震设计规范(GB50011－2010)【M】.北京:中国建筑工业出版社
【3】.混凝土结构设计规范(GB50010－2010)【M】.北京:中国建筑工业出版社
【4】.高层建筑结构设计原理【M】.成都:西南交通大学出版社
【5】.冯中伟．高层剪力墙住宅结构优化设计【J】.建筑结构，
2010，40(9):124～127
【6】.郭剑飞.影响含钢量的若干因素分析及设计建议【J】.建筑科学，2010，26(5):53～56
【关键词】结构布置;剪力墙设计;成本控制;构造措施
中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：
剪力墙结构因其抗侧移刚度大，承载力较高，抗震性能好和良好的经济性能，在高层建筑中的应用越来越广泛。在确保实现建筑功能和结构安全的前提下，将资源进行合理配置，从而做到技术先进，经济合理，是结构设计追求的目标。本文通过实例分析，探讨关于高层剪力墙结构设计要点。
一、工程概况及结构布置
(一)工程概况。该工程为剪力墙结构，地下2层，地上29层，带三层裙房，建筑总高度为87.3m。抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0．2g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.35s，抗震等级为一级，基本风压为0．40KN/m2(100年一遇)，地面粗糙度类别为B类，其它使用荷载按规范取值。
(二)结构布置。
结构标准层剪力墙平面布置图见图1。
图1 标准层剪力墙平面布置图
1.剪力墙布置。剪力墙布置的原则是加强建筑周边刚度，减小建筑中心刚度;同时控制短肢剪力墙数量，减少边缘构件，从而降低结构用钢量。
2.梁、板布置。高层住宅中，梁板跨度一般不大，楼层梁的布置应有明确的传力路径，尽量避免多重的传力情况。
(三)结构规则性判断。规则的结构体系受力明确，能很好的实现结构工程师对概念设计的理念，是结构设计优先选择的方案。
1.平面规则性判断。结构平面应力求简单、规则，避免刚度、质量和承载力分布不均匀。由图1看出结构中部由于电梯间、楼梯间开洞及建筑造型要求形成薄弱部位，这部分采取以下措施：增加楼、电梯间四周板厚(取120mm，HRB400级8@150双层双向拉通配筋)，在中
部建筑凹槽处增加结构楼板（120mm厚板）以控制中部楼板开洞率不大于50%，且将凹槽两边板适当加厚(取120mm)。通过以上措施减少开洞对结构的不利影响。
2.竖向规则性判断。结构竖向不规则指刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变。《高规》中规定剪力墙结构中，楼层与其相邻上层的侧向刚度的比值不宜小于0.9，当本层层高大于相邻上层层高的1．5倍时，该比值不宜小于1．1。本工程二层建筑层高（4.5m）是三层建筑层高(2.9m)的1.55倍，计算结果中第二层与第三层X向侧向刚度比值为0.9757<1.1，Y向侧向刚度比值为1．2305＞1.1，故第二层为薄弱层，该层地震作用标准值的剪力应乘以1.25的增大系数。
二、计算分析
采用PKPM中的SATWE分析软件，-1～3层定义为底部加强部位，考虑5%偶然偏心，风荷载体型系数取1．3，连梁刚度折减系数0.6，周期折减系数0.95，计算结果分析如下:
(一)嵌固端判定。嵌固部位关系到结构计算模型与实际受力状态之间的符合程度，涉及到构件内力和位移计算。本工程地下二层，选取负一层顶（0.000）作为该楼的嵌固端。计算结果中X向地上一层与地下一层侧移刚度比值为0．3873，Y向地上一层与地下一层侧移刚度比值为0.4868，满足《建筑抗震设计规范》（简称《抗规》）作为上部结构的嵌固端的要求。
(二)最大层间位移角。在正常使用条件下，结构应具有足够的刚度，来满足结构的承载力、稳定和使用要求，这就要对结构的位移进行控制。实际的计算结果如下:X方向最大层间位移角为1/1004， Y方向最大层间位移角为1/1038，结构满足弹性状态下的正常使用要求。
(三)结构抗扭刚度。地震作用下，扭转效应会导致结构严重破坏，对高层建筑的抗震极为不利。《高规》中把位移比和周期比作为控制高程建筑结构平面不规则扭转效应的重要指标。计算结果中，考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X，Y方向的平动系数、扭转系数见表1。
表1 平动系数、扭转系数
由表1中数据可得以扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期比值为0．766＜0．9，结构具有一定的抗扭刚度。
(四)结构整体稳定验算。在水平风荷载或水平地震荷载作用下，影响高层建筑结构整体稳定的因素主要是结构的刚重比。当结构的刚重比小于结构的最低要求时，结构重力的P－△效应会急剧增加，可能会导致结构的整体失稳。在水平力作用下，高层剪力墙结构的变形形态为弯剪型，当结构的刚重比小于1．4时，会导致P－△效应快速增加，甚至导致结构失稳，这是刚重比的下限要求；当结构的刚重比大于2．7时，重力P－△导致内力和位移增量在5%左右，即使结构的实际刚度折减50%的情况下，重力P－△效应仍可控制在20%以内，重力二阶影响很小，可以忽略不计。计算结果中:X向刚重比EJd/GH2=5.61;Y向刚重比EJd/GH2=6.04，两个方向的刚重比均大于2．7，可以不考虑重力二阶效应。程序自动计算.
(五)水平地震剪力系数。对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的影响，目前规范所采用的阵型分解反应谱法尚无法对此作出评估，出于对结构安全的考虑，提出了对结构中水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求，《抗规》5．2．5以强制性条文对水平剪力系数作了规定。在水平地震作用下本工程水平地震剪力系数最小值为0．032，计算结果中首层水平地震剪力系数为0．0306<0.032，根据《抗规》5．2．5，对结构各层的剪力及倾覆力矩和位移均应进行调整。程序自動调整.
三、结语
通过上面实例分析可以看出，剪力墙结构设计首先要确定合理可行的结构方案，把握好结构体型、刚度分布、构件传力路径及延性等几个主要方面，利用计算软件实现概念设计的目的，再加以必要的抗震构造措施，使结构具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。其次通过计算结果中各参数判断设计的合理和经济性。另外，在设计中应考虑成本控制，比如剪力墙结构中下部承载力最大，可采用较高强度的混凝土来满足轴压比的要求，用较低强度混凝土过度代换，受力主筋采用HRB400高强钢筋，能发挥钢筋的抗拉性能，节省钢筋用量，从而达到节省建筑成本的目的。
【参考文献】：
【1】.高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3－2010)【M】.北京:中国建筑工业出版社
【2】.建筑抗震设计规范(GB50011－2010)【M】.北京:中国建筑工业出版社
【3】.混凝土结构设计规范(GB50010－2010)【M】.北京:中国建筑工业出版社
【4】.高层建筑结构设计原理【M】.成都:西南交通大学出版社
【5】.冯中伟．高层剪力墙住宅结构优化设计【J】.建筑结构，
2010，40(9):124～127
【6】.郭剑飞.影响含钢量的若干因素分析及设计建议【J】.建筑科学，2010，26(5):53～56