时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要：剪力墙结构是高层住宅采用最多的结构形式之一，对剪力墙结构进行合理的优化，使结构受力合理，降低建造成本是行业人士关注的问题。本文以结构优化设计的本质为主线，讨论了优化设计的内容和措施，供广大设计师们参考。
关键词：剪力墙结构，结构设计，优化设计
1 引言
随着我国社会经济的快速发展，房地产开发量日渐增多，城市土地也变得越来越紧缺。为了提高土地利用率，小区建设主要以高层建筑为主，大量兴建了钢筋混凝土高层住宅，其中大部分采用钢筋混凝土剪力墙结构。剪力墙结构材料用量大，单位造价高，如果设计不合理势必会造成不必要的浪费，这显然不符合当今社会节约能源，降低资源消耗，保护环境的前提，也不符合开发企业利润最大化的总体目标。因此，优化建筑结构设计，节约材料，降低成本，已经成为了业界普遍关注和重视的问题。
2 剪力墙结构优化设计内容
建筑结构设计的任务是根据建筑平、立、剖面设计的要求选择适当的结构体系，在尽量满足建筑功能要求的前提下，进行竖向受力构件和水平受力构件的布置，采用合理的计算理论，经过反复验算确定构件截面尺寸和配筋大小。就高层剪力墙结构住宅而言，建筑平面形状和各功能用房的布局不是唯一的，在满足建筑使用要求和防火疏散等要求的前提下，怎样能够更符合结构设计的要求，是结构工程师和建筑师共同协调解决的问题。同样，结构构件的布置也不是唯一的，有不同的布置方案，在这些不同的结构布置方案中寻找出一种最恰当，最优的结构布置方案，保证结构安全、适用、耐久的功能要求的同时，实现经济、便于施工。建筑方案、结构方案确定下来以后，构件设计涉及到构件的截面尺寸和配筋设计，构件的截面有变化，整体结构的刚度随之而变化，构件截面不同有不同的配筋结果，如何能够做到使结构构件发挥其最佳的效能是我们结构设计师思考的问题。结合以上分析，剪力墙结构住宅优化设计应从建筑平面优化、结构布置优化和构件设计优化三方面的因素加以考虑。
3 剪力墙结构优化设计措施
3.1建筑平面优化
建筑平面根据建筑功能需要，由建筑师按设计任务书进行布置。建筑平面优化应从以下几个方面因素加以考虑：
(1)建筑平面长度尺寸：建筑平面过长而未设置永久变形缝时，由于混凝土收缩应力和温度应力等非荷载应力的增大，使结构构造配筋增加，甚至出现混凝土收缩裂缝和温度裂缝。
(2)建筑平面长宽比：规范规定建筑平面长宽比L/B≤6，长宽比越大，建筑两主轴方向的动力特性相差越大，在水平荷载作用下越容易出现扭转现象。当长宽比过大时，在偶然偏心荷载作用下，某方向的位移比较大导致平面扭转不规则。
(3)建筑竖向高宽比：对于高层建筑而言，高宽比大的建筑其结构整体稳定性下降，为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移，势必要增加抗侧力构件的数量或加大构件截面尺寸来提高结构的侧向刚度，此种措施自然增加了建筑物的总体造价。
(4)建筑平面形状：建筑平面形状宜简单、规则、对称，避免使用诸如角部重叠平面、细腰形平面，尽量减少突出、凹进等复杂平面，尽量保证结构构件传力简单直接，避免产生应力集中区。
3.2结构布置优化
结构布置是结构方案的主要内容，结构布置的合理与否直接关系到构件的截面尺寸的合理性和整个结构的受力性能的合理性。因此，结构布置的优化是对整体结构刚度和受力性能的总体改进，尤为重要。
3.2.1结构平面布置
(1)竖向构件的布置
在剪力墙住宅结构中，剪力墙的布置应遵循强周边、弱中部，多均匀长墙、少小短墙，多翼缘墙、少一字墙，均匀、对称的原则。在满足建筑功能的基础上，在楼梯间、电梯间、管道井等部位相对集中布置剪力墙，外墙开洞不宜过多，拐角部位尽量不设转角窗，内墙开洞避免出现过多小短墙，形成短肢剪力墙，并特别注意卧室门洞一侧小墙垛尺寸，避免由于墙垛过小，墙体看似L形墙肢，实际上形成一字墙。剪力墙的布置应沿建筑物两主轴方向或其他方向双向布置，并控制其间距，尽量使建筑结构的刚度中心与质量中心相重合或靠近，减小地震作用下的扭转，以达到结构构件的最佳使用率。
(2)水平构件的布置：
梁、板构件的布置首先要做到传力合理，尽量避免楼面荷载的多次传递，其次是使用效果良好，最后才是用钢量。梁的截面设计，根据《高规》7.1.3的规定，跨高比小于5的梁按连梁设计，跨高比大于等于5的梁按框架梁设计。住宅建筑除大开间客厅以外，大部分楼板跨度比较小，属于小开间板，大跨度板厚可以按板跨度的1/35~1/45来确定，小跨度板厚可以取100mm~110mm。
3.2.2结构竖向布置
高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。对于剪力墙结构来说，剪力墙厚度应由下而上逐渐变小，洞口宜上下对齐，避免出现竖向承重构件不连续或楼层层高突变，形成薄弱部位或薄弱层，在水平力作用下因薄弱部位发生破坏而影响整栋建筑的安全性。采用简单、直接的传力途径，可以省去中间传递的结构构件，减小结构的安全风险，使结构受力更加明确，其造价也相对经济。#p#分页标题#e#
3.2.3基础选型
高层剪力墙结构基础类型根据结构层数、地基承载力及土层有无软弱下卧层等情况综合确定。一般层数在20层以下的剪力墙结构，地基承载力较高时，可以选择平板式筏板基础;地基承载力较小，不好进行地基处理提高承载力时，可以选择桩基础。层数20层以上，筏板基础很难满足承载力要求时，可以选择桩筏基础。基础选型是一个较复杂的问题，应根据结构特点和土层特征综合考虑合理确定。
3.4构件设计优化
3.4.1基础
平板式筏板基础厚度应根据上部结构层数和纵横向剪力墙间距初步估算，经反复验算筏板强度、变形进行调整优化。在初估筏板厚度时，在规范要求平板式筏板基础最小厚度400mm的基础上，每增加一层，板厚增加50mm的规律进行比较分析是可行的。当然，剪力墙间距较小时按以上经验初估筏板厚度一般偏大。筏板基础的计算中，应重视基床系数的合理选用，基床系数取值过小会导致筏板变形过大，配筋增大，造成浪费;取值过大会导致筏板配筋不够，留下安全隐患。因此，在筏板基础的计算中，根据土层特性合理确定基床系数也是结构优化设计的重要内容。
3.4.2剪力墙
在合理的结构布置和正确的计算后，可通过截面内钢筋的配筋构造来确保剪力墙的受力性能和经济性。由于剪力墙结构的受力特点，所有剪力墙计算结果都很小，基本上全部采用构造配筋。因此，剪力墙数量越少，边缘构件数量越少，总体混凝土用量及配筋就越小。
3.4.3梁
梁的配筋通常由内力来控制，对梁宽度较小的构件来说，当配筋量大时往往需配2～3排筋，这无疑将减小梁截面的有效高度，因此当不影响使用或空间观感时，可适当增加截面宽度，尽量放置成单排主筋;有条件时可增加梁截面高度以达到节省钢筋的目的。
3.4.4板
板配筋计算有弹性理论计算方法和塑性理论计算方法两种，建议大跨度双向板支座按弹性计算方法确定负筋数量，小跨度板可以按塑性计算方法确定板的受力钢筋数量，但是要保证裂缝宽度在规范允许范围内。
3.4.5合理选用材料
选用材料的最基本原则是充分发挥材料的强度。混凝土主要利用其抗压强度高的特点，钢筋主要利用其抗拉强度。在剪力墙结构中，剪力墙轴压比不够时，可以通过提高混凝土强度来满足要求，边缘构件一般不宜采用高强度钢筋，梁主筋可以选择HRB400钢筋，箍筋可以选择HPB300级钢筋，板钢筋可以选择HPB335级钢筋或HRB400钢筋。梁板混凝土强度等级不宜设置的太高，高标号的混凝土不能充分发挥其强度作用而且为抵抗高强度混凝土较大的收缩变形，相关构件的构造配筋率也随之增加，从而导致工程造价的提高。
4 结语
结构优化设计的目的不是简单的降低材料用量，也不是不分轻重的都按规范底限进行设计，而是\"物尽其用\"，充分发挥材料性能。对影响结构性能的重点、关键部位及计算程序不能准确分析或计算模型与实际情况有出入部分，应重点加强或补充分析。在建筑设计初期，结构设计人员就应与建筑师紧密配合，初步确定剪力墙布置，合理调整建筑方案，避免不规则或严重不规则的平立面布置，达到技术先进，安全适用、经济合理的设计方案，实现降低建筑总体造价的目的。
[参考文献]
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2010).北京：中国建筑工业出版社，2010
[2] 孙国正.优化设计及应用[M].北京：人民交通出版社，2004
[3] 孙雪兰.浅谈高层剪力墙结构的优化设计.山西建筑，2010;(8)
