剪力墙结构住宅的优化设计建议

关键词：剪力墙结构 优化设计 墙体布置 限额设计 

　　1 前言 

　　钢筋混凝土现浇剪力墙结构以其抗震性能好、墙体布置灵活、开间内无梁等优点，是多高层住宅最普遍采用的结构形式。我国城镇化建设过程中，对住宅需求量大，研究并推广剪力墙结构的优化设计可节约大量建设成本。现在很多开发商为了控制结构经济指标，尽量排除导致离散型的自然因素和建筑方案因素，对建筑分类采取限额设计的方式。如表1即为国内某大型房地产开发商对8度抗震设防区剪力墙结构住宅钢筋的限额设计指标。通过顺义新城0701-013地块住宅项目在结构方案确定及审图过程中发现的问题，结合多年学习、研究、积累，总结出几点关于剪力墙结构住宅优化设计的经验，供广大结构设计人员参考。 

　　2 项目概况 

　　顺义新城0701-013地块住宅项目为三栋各自独立的住宅楼1#、2#、3#楼，地下一层，地上分别为11层、10层、15层，层高均为2.8米。抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度0.2g，设计基本地震分组第一组，建筑抗震设防类别为丙类。建设方要求地上部分按钢筋45kg/m2进行限额设计。 

　　3 墙体布置的优化 

　　住宅建筑方案拿到结构工程师手中时，墙体未区分承重墙和填充墙，如何布置承重剪力墙是结构工程师面临的第一个课题。笔者通过大量工程设计实践发现，一般多高层住宅剪力墙配筋绝大部分均由抗震构造配筋控制。所以，使剪力墙的布置能规避规范的较大构造配筋要求成为优化的一个关键点。通过熟练掌握《抗震设计规范GB50011-2010》《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》中关于剪力墙结构的有关规定，我们找到那些使墙体构造配筋增大的相关要求，然后再看看能不能找到路径合理合规的避开这些要求。 

　　3.1 尽量避免框支剪力墙 

　　《抗震设计规范GB50011-2010》第6.4.3条规定：“一、二、三级抗震墙的竖向和横向分布钢筋的最小配筋率均不应小于0.25%”“部分框支抗震墙结构的落地抗震墙底部加强部位，竖向和横向分布钢筋配筋率均不应小于0.3%”，对于200厚墙体来说，若满足0.25%的配筋率，竖向和横向配筋φ8@200即可，若满足0.30%的配筋率，需配置φ8@150或φ10@200，配筋量增大了33%或56%，另外，根据《抗震设计规范GB50011-2010》表6.1.2之规定，部分框支抗震墙结构底部加强部位抗震等级均普遍比未设框支的抗震墙结构提高一级，框支抗震墙力的调整增加可能使计算配筋超过构造配筋成为配筋控制因素。还有框支梁的配筋及板钢筋等一系列构造要求均会使结构造价大量增加，在高设防烈度地区尤其如此。 

　　顺义新城0701-013地块住宅项目1#、2#、3#楼地下室分别为自行车库、储藏间、设备用房，与地上住宅房间分割肯定会有差异。剪力墙布置时与建筑、设备专业协调配合，使剪力墙体全部能落地，最终三栋楼均未出现梁托墙的框支结构，为进一步优化设计打下良好基础。 

　　3.2 减少约束边缘构件数量 

　　住宅剪力墙墙体分布筋通常按构造配置很小直径（一般直径不超过φ10）即可满足要求，而剪力墙两端的边缘构件的纵筋和箍筋按构造或计算要求均需配置较大直径或较密间距才能满足要求，所以剪力墙边缘构件配筋量占比剪力墙所有钢筋显得很突出，如何能减小边缘构件的配筋量呢？ 

　　按规范规定，约束边缘构件的配筋范围和配筋率要求都比构造边缘构件高出不少，例如三级抗震等级时，约束边缘构件竖向配筋率1.0%，并不少于6φ14，构造边缘构件底部加强部位竖向钢筋最小量为0.6%，并不少于6φ12。构造边缘构件配筋比约束边缘构件配筋减少40%以上。《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》第7.2.14条规定“一、二、三级剪力墙底层墙肢底截面的轴压比大于表7.2.14的规定值时，应在底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件”。反之，如果剪力墙底层墙肢底截面的轴压比小于表7.2.14的规定值，则在底部加强区的墙体可不设约束边缘构件，而代之以配筋更少的构造边缘构件。 

　　如何使墙肢轴压比小于表7.2.14的规定值的规定值呢？由轴压比计算公式μN=N/fcA，可知三种减小轴压比的方式：⑴计算采用荷载不要盲目加大；⑵剪力墙采用的混凝土强度等级可适当加大；⑶增加墙体截面面积。混凝土价格会随其强度等级的增加而增加，但增加的幅度并不大，所以提高混凝土强度等级，使墙体轴压比降至规定范围之内，是降低墙体边缘构件配筋的重要手段。增加墙体截面面积主要是指增加墙体长度。增加墙体厚度会占用有效使用面积，一般不采用。增加墙体长度后，墙体增加的分布钢筋与梁减少的钢筋和减少的填充墙砌筑基本可以互抵，而约束边缘构件则可由构造边缘构件取代，边缘构件纵筋也可由计算值控制降为构造控制，此方式仍可产生可观的经济效益。 

　　1#、2#、3#楼底部加强区为首、二层，约束边缘构件按规范要求上下各沿一层。若不研究控制轴压比，则地下室至三层需配置大量约束边缘构件，使本项目钢筋量增加。针对此问题采取以下措施：荷载按实际情况（项目之初根据实际情况制定荷载技术措施）取值，不得随意增加；在底部加强部位混凝土强度等级加至C35；将轴压比较大的剪力墙墙肢加长，使轴压比小于0.3。在结构调模型计算过程中，随时关注轴压比变化，使之小于设约束边缘构件限值要求。最终本项目加强区除极个别窗间墙处需设约束边缘构件外，大部分墙肢仅设构造边缘构件即可满足要求。 

　　3.3减少边缘构件面积占比 

　　如前文所述，减少墙体边缘构件配筋是优化墙体配筋的关键，除了上述使约束边缘构件变为构造边缘构件的方法，还可以从另一方面入手，即想办法减少边缘构件的面积。 　　《抗震设计规范GB50011-2010》图6.4.5-1和图6.4.5-2条分别给出约束边缘构件和构造边缘构件的配筋范围，各四种情况。但这四种情况乃最基本、应用最多的四种情况，实际工程由于建筑方案的多样性，特别是建筑立面的凹凸，边缘构件的形状远非这四种最基本情况能涵盖。如图1所示墙体边缘构件在工程中就很常见。很明显，这种墙体被边缘构件占去很大面积，而边缘构件又不得不按规范配置大量构造钢筋，实际按计算地震时又不需要那么多钢筋。若想尽量避免这种情况，首先在建筑方案阶段结构工程师最好能介入提出优化的意见，避免过多凹凸的立面造型及开间交错复杂的平面设计。 

　　多、高层住宅通常均需设置电梯，由于安装要求及为了减少电梯运行噪音对住户的影响，电梯井四周墙体均应采用钢筋混凝土剪力墙。但当电梯井并排放置时，电梯井间的分隔墙两侧均无板，其承担的荷载仅为自重，设置此墙对增加结构安全性并无太大意义，而且因为墙肢短，边缘构件占比较大，因此，结构设计时电梯井之间的分隔墙可不设置。两电梯间可设置一定数量的后浇圈梁或型钢满足电梯导轨安装需要。 

　　3.4 尽量避免短肢剪力墙 

　　《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》第7.1.8条给出了短肢剪力墙的定义“短肢剪力墙是指截面厚度不大于300、各肢截面高度与厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墙”。《高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010》第7.2.2条规定：“短肢剪力墙的全部竖向钢筋的配筋率，底部加强部位一、二级不宜小于1.2%，三、四级不宜小于1.0%；其他部位一、二级不宜小于1.0%，三、四级不宜小于0.8%”，此配筋率远大于普通长肢剪力墙分布筋0.25%（高规第7.2.17条）的规定，以上规定对比第7.2.15条、第7.2.16条对边缘构件纵筋规定可以发现，短肢剪力墙整个墙肢的纵筋配筋率甚至不小于普通墙肢对边缘构件纵筋配筋率的要求。综合考虑墙肢全长范围内的分布筋与边缘构件配筋总量，短肢剪力墙配筋率比普通剪力墙配筋率大40%以上。因此，在布置剪力墙时应尽量避免形成短肢剪力墙，墙肢有条件加长时应至少加长至多于短肢剪力墙50mm，没有条件加长时可以考虑不设此段墙肢，采用梁连接。 

　　4 混凝土强度等级的选择 

　　为控制剪力墙轴压比，高层建筑底部采用较高强度等级混凝土，向上强度等级逐渐降低，顶部一般强度等级降至C30。剪力墙混凝土强度等级宜控制不超过C40，因为高强度混凝土不易养护。一般情况下，不要因为位移不够采用超过C40的墙体混凝土，更不要因为连梁不够而采用超过C40的混凝土，C60混凝土的弹性模量只比C40提高10%左右，对减小整体位移的贡献有限。 

　　楼板和梁采用同一强度等级混凝土，地下室梁板因耐久性要求应采用C30混凝土，地上各层梁板采用C30或C25混凝土。住宅建筑一般板块较小，楼板多为构造配筋，采用更高强度等级混凝土不但容易开裂，且会增加楼板的最小配筋率，造成浪费。 

　　地下室外墙一般长度较大且对混凝土强度的要求不高，一般采用C30混凝土即可，采用高等级混凝土因养护不到位更容易开裂。 

　　5 墙厚、墙体钢筋的优化 

　　剪力墙结构住宅因为本身结构体系的特点，刚度一般均能满足规范的要求，甚至通常在低烈度区，反应整体刚度的楼层位移角可远小于规范限值要求。在这种情况下，墙体厚度不应取太厚，一般满足规范最小值要求即可，如在抗震设防烈度8度区，底部加强部位墙厚200mm，底部加强部位以上160mm，一般均可满足要求。 

　　墙体厚度取的过厚不但浪费了材料、占用了宝贵的有效使用面积，而且可能使建筑变得更不安全了。这是因为过厚的墙体导致建筑刚度变的更大、建筑自重变的更大，从而吸收更多的地震力影响结构安全；另外，增加的自重也会提高基础的造价，甚或使基础方案由便宜的天然地基变成费用更高的复合地基或桩基础。 

　　剪力墙墙体钢筋均应采用强度等级HRB400及以上高强度钢筋以降低用钢量。从现浇剪力墙结构在历次震害中表现来看，并未见由墙体少筋而产生的破坏报告，墙体钢筋均不需要增配来提高建筑的安全度，墙体暗柱钢筋和分布钢筋只要满足计算及构造最低要求即可。相反，墙体暗柱过多的配筋可能会给混凝土的浇筑带来困难，影响浇筑质量；梁钢筋与大量暗柱钢筋相互冲突，增加施工难度进而影响施工质量。 

　　在进行结构计算时，有时会出现暗柱超筋现象，此时采用增加墙体竖向配筋率的方式可能会消除超筋。但墙体竖向分布筋离截面中和轴较近（相对边缘构件纵筋），对缓解墙体抗弯超筋效率较低，即增加了整面墙的竖向配筋率但效果有限，所以尽量采用调整墙体布置的方法而不是采用这种方法消除超筋。 

　　6 梁钢筋的优化 

　　本项目在审图工程中发现了一些不优化、不合理的梁配筋情况，如图三所示情况为1#楼中梁配筋一典型案例。 

　　KL15为一两跨梁，两端支座为梁，中间支座为墙。两端支座为铰接，中间支座为剪力墙，但梁在剪力墙平面外，此梁应判定为一连续的次梁，而非框架梁。次梁箍筋可采用直径可采用更小的φ6，且无需配置加密区。次梁纵筋采用非抗震锚固长度，上铁锚固长度0.35lab（直锚段）+15d，下铁锚固长度12d，两端支座仅160mm宽，经计算直径超过φ12纵筋均不能满足锚固长度要求。遂上铁钢筋采用φ12架立筋，在中间支座处与支座负筋搭接，下铁钢筋采用3φ12。此梁经修改后配筋如图4所示，既满足了支座锚固长度等构造要求，又节省了钢筋。 

　　7 结语 

　　影响剪力墙结构住宅经济指标的因素有很多，包括抗震设防烈度、当地风压、地质情况等自然因素，建筑高度、高宽比、立面、平面布局、开间大小、层高、面层厚度等建筑方案因素，还有就是结构设计人员设计水平和责任心的因素。这些因素导致最终的结构经济指标有一定的离散型。但结构人员必须精心设计，尽可能达到现有条件下的最优化。顺义新城0701-013地块住宅项目建设方根据本项目特点，提出地上部分45kg/m2的限额设计指标。项目设计过程中按本文设计思想贯彻执行，设计完成后经初步预算地上部分钢筋量控制在42kg/m2，达到较好的经济效果。 

　　参考文献 

　　[1]GB50011-2010 建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社.2010 

　　[2]JGJ3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程.中国建筑工业出版社.2010 

　　[3]全国民用建筑工程设计技术措施-结构（混凝土结构）.中国计划出版社.2012