高层剪力墙结构优化设计与经济分析

应君

摘要：本文以高层剪力墙结构优化设计与经济分析为课题，分析研究了高层剪力墙结构优化设计，探讨了高层建筑剪力墙结构设计中应注意的问题以及高层剪力墙的结构经济，并根据案例来详细说明了，立足规范，精心计算，巧妙构造，优化设计才能达到有效地节约能源，降低造价的目的。希望为类似的工程设计提供参考。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计；经济分析

引言

高层剪力墙结构优化设计与经济分析是我国建筑行业主要施工的环节之一，是工业使用的施工材料，其中高层剪力墙结构的构造可以做施工使用的材料。通过选择高层剪力墙结构优化设计与经济分析加强高层剪力墙结构优化设计与经济分析管理和预控预算等调查研究做出了分析，只有“科学建筑、安全施工、降能降耗、低能高效”，才能使我国高层剪力墙结构优化设计与经济分析得到可持续发展。通过选择墙体材料、把好我国高层剪力墙结构优化设计与经济分析环节、加强施工管理和预控预算等调查研究。

一、高层剪力墙结构优化设计

1、剪力墙结构方案的选择

在剪力墙的优化设计中，方案的选择和优化起着非常重要的作用，因此一定要对方案的优化给予重视，不能有丝毫疏忽。在方案的选择阶段首先要考虑合理性，建筑的结构布置和建筑的功能要相契合，一定的结构要为一定的功能服务，要有针对性，不要南辕北辙。其次要考虑建筑结构的经济性，控制总体成本，结合建筑层数制定合理的方案。对于不同层数的建筑采用各自合适的剪力墙结构，提供合理科学的预算，这样才能够控制成本，保证资金使用最优化，保证建筑结构的经济性。剪力墙结构方案的选择能够保证科学性、合理性和经济性，这个方案就是比较适宜的方案，接下来就可以根据方案进行下一步的施工了。

2、剪力墙的结构布置

剪力墙结构在概念阶段的优化，要从总体上合理布置剪力墙的位置，确定剪力墙的数量、长度、厚度，以“周边、对称、成对、封闭”的原则去布置剪力墙，可以得到较大的平面刚度和抗扭刚度。具体实施时，应采用以下措施：强周边、弱中部；多均匀长墙，少短墙；多L形，T形、十字形墙肢，少复杂形状；沿高度均匀变化；各墙肢轴压比接近并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值。在确定剪力墙数量、长度、厚度时，应在设计时控制其基本自振周期，一般为0.05～0.08n（n为结构总层数）较为适宜，同时，设计时尽可能接近规范要求的层间位移角限值，如计算结果相差太多，说明剪力墙结构刚度较大，剪力墙布置数量太多，应适当减少墙体数量。结构的刚度与剪力墙长的三次方成正比，与厚度的一次方成正比，因此减小剪力墙截面厚度即可以有效减少材料用量，又不至于严重削弱结构的刚度。一般来讲，剪力墙的设计应在满足刚度及稳定性的前提下，尽量减薄，达到减少剪力墙材料用量节约造价的目的。

二、高层建筑剪力墙结构设计中应注意的问题

1、有效控制抗侧刚度

剪力墙结构的抗侧刚度不宜过大，若抗侧刚度过大，则剪力墙结构的周期会相应的变小且建筑受地震影响也较大

2、科学布置剪力墙的构造配筋

由于剪力墙结构的墙体大多数都是构造配筋，为避免结构延性差，剪力墙结构墙体的构造配筋不宜太低。

3、合理控制剪力墙的数量

要合理控制同一建筑中的剪力墙数目，不宜过多也不宜过少，要做到数量适中，假如剪力墙过多，会增加建筑物本身的重量容易造成地基塌陷，影响建筑物安全，而且也会造成金钱、时间的浪费。

四、案例

1、工程概况

某高层建筑，层高30层，地下2层地上28层，地下两层为储藏室，地上为普通住宅。建筑抗震设防类别为标准设防类，剪力墙的抗震等级为二级，地下二层为甲类防空地下室，级别均为6级二等人员掩蔽。现浇混凝土楼板、梁、抗震墙的混凝土强度等级均为C30；基础、地下室外墙及人防顶板采用C30密实防水砼。基础、梁、板、抗震墙均采用HRB400级钢筋。

2、优化设计

根据经验及以前做的QC成果，在此类工程中，墙（含暗柱）配筋量所占比例最大，约占全部用钢量的46%，这其中暗柱的用钢量又占墙用钢量的一半以上，而梁和现浇板的含钢量基本稳定在一个合理的水平上，所以采取措施降低墙的数量和配筋可以有效的节约钢筋，这其中很重要的一点是通过与建筑专业的密切配合，通过认真的方案比较，合理地布置墙和暗柱。我们通过与建筑专业协调，将结构方案进行优化，把各项指标控制在规范允许的合理范围内。

2.1地下部分

1）筏板的优化。筏板的厚度由冲切计算控制，在满足冲切计算的前提下，我们比较了不同板厚时的配筋情况：其一，板厚=900毫米时，板配筋多为计算配筋，除通长钢筋外，还需附加第二排钢筋；其二，板厚=1000毫米时，板配筋多为构造配筋，个别较大跨度支座处需附加第二排钢筋；其三，板厚=1100毫米时，板配筋均为构造配筋，通长筋配筋量较大。通过比较，我们选取板厚=1000毫米，最为经济合理。 同时，为了减少大体积砼的水化热，我们优先选择强度等级较低的砼，为了减少裂缝的出现，优先选择小直径密间距的配筋方式。经过优化，筏板配筋由D20@150，优化为D18@150（D表示HRB400钢筋）。

2）考虑人防顶板上50厚细石混凝土垫层的防护作用，将人防顶板厚度取为规范规定的最小值200毫米厚，减少了楼板构造配筋。

3）通过计算，除人防墙以外的剪力墙绝大多数均为构造配筋，对于这部分墙，在满足规范要求的前提下，适当减少墙的构造配筋率，可有效降低工程造价。

4）暗柱大部分是构造配筋，箍筋、拉筋和纵向钢筋按照规范的最小配筋及最小直径配置。

5）梁的优化。首先是对于跨度较小的纯简支梁，上部钢筋采用2D10；其次是对于连续梁配筋，为了减少搭接，上部采用2根小直径的通长钢筋，受力较大的支座根据计算配第二排支座附加钢筋。

2.2地上部分

1）梁的优化：首先对于跨度较小的纯简支梁，上部钢筋采用2D10；然后是对于连续梁配筋，为了减少搭接，上部采用2根小直径的通长钢筋，受力较大的支座根据计算配第二排支座附加钢筋。

2）通过计算，地上部分剪力墙配筋绝大多数为构造配筋，对于这部分墙，在满足规范要求的前提下，适当减少墙的构造配筋率，可有效降低工程造价。

3）暗柱大部分是构造配筋，箍筋、拉筋和纵向钢筋按照规范的最小配筋及最小直径配置。

3、结论

通过优化设计，我们将结构主体含钢量由50.6千克/平方米降低至48.1千克/平方米，每平米节约钢材约2.5千克。

该住宅小区总建筑面积约40.5万平方米，共节约钢材约1012.5吨，节约投资约400万元。 按照每吨钢材炼制过程中碳排放量为2.5吨计算，所节约钢材可减少碳排放量2531吨，为环境保护出了一分力。

注：1）D表示HRB400鋼筋，φ8表示HPB235钢筋直径为8毫米，φ12表示HRB335钢筋直径为12毫米。

2）短肢方向指墙肢长度小于等于8倍墙厚长度的方向，长肢方向指墙肢长度大于8倍墙厚长度的方向。

结束语

总而言之，剪力墙结构的优化设计，应根据剪力墙结构的特点，采用合理的布置形式，调整和控制剪力墙结构体系刚度，改善剪力墙的抗震性能。同时在具体的配筋方面，合理的运用规范要求和计算结果，对特殊位置出现的钢筋超配问题进行有针对性的处理，在保证整个结构安全可靠的条件下，节省不必要的投资，取得良好的经济效益。

参考文献：

[1]JGJ3-2010.高层建筑混凝土结构技术规范[S]北京：中国建筑工业出版社.2010.

[2]吕瑞孝，姜剑虹.高层建筑剪力墙结构设计需关注的要点[J].科技信息.2011（19）：80-98.