第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 高层剪力墙住宅楼结构优化设计 陈雷邱弯洁 （筑博设计股份有限公司北京分公司，北京，100013） 提要结合某7.5度地区、11类场地土一个典型单塔住宅楼优化前后对比，分析出剪力境结构境体配筋的各项经济型指标， 探讨住宅楼剪力墙布置的合理性.
同时结合此工程给出在不同烈度区，不同楼高各项经济性指标，探讨剪力墙结构设计的合 理性建议.
关键词高层剪力墙结构优化设计、住宅楼限额设计、住宅楼合理用钢量 1问题提出 随着计算技术、计算软件的开发与利用，结构计算、绘图的工作量越来越小.
开发商更加关心经济性、 实用性，往往与设计院签订限额设计合同.
本工程位于山东寿光市，楼高54米，18 层：单体建筑面积地上9670m2，阳台面积 605m2，地下两层面积980m2.
基本烈度7.5 度，场地土类别三类.
结构形式剪力墙，抗 震计算按7.5度，抗震构造措施按8度，剪力 墙抗震等级按8度构造二级.
建筑平面图见图1，经开发商成本核算， 用钢量地上用钢量指标为52Kg/m2.开发商认 为成本已偏离了常规指标，要求进行优化设计.
图1原设计结构墙体布置图 2原设计存在的问题 如上图内标注所示，本工程原设计主要存在如下问题： 1）大量的短肢剪力墙存在，边缘构件很多，导致配筋增大： 2）墙体布置墙垛较多，不利于建筑空间布局，同时影响建筑的使用性： 3）混凝土墙体与填充墙体由于温度变形不一致，在相交处，长期使用容易产生温度裂缝，影响美观： 4）墙体过多、过短不利于大模板施工，对工期会造成一定影响： 5）过多的短肢剪力墙，对抗震不利.
3解决方式 在烈度不是很高的情况下，位移角往往比较容易满足.
有些设计人员错误的认为剪力墙结构开洞可以 减小混凝土用量，同时相应减小墙体的钢筋，但是由于需要两侧设置边缘构件、洞口连梁及后期设置拉墙 作者简介：陈雷（1973.4-），男，国家一级注册结构工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 钢筋等构造措施，相应的增加了用钢量.
通过相关计算数据表明，当洞口在3-4米时刚好处于临界值，因 此剪力墙3米以下的墙洞实际上对工程造价是增加的（除非是为了调整扭转刚度不得不开的结构洞，洞口 位置往往在楼座中间部位）.
同时规范规定当轴压比小于抗震墙设置构造构件的最大轴压比要求时可仅设 置构造边缘构件.
4优化前后墙体布置图及各项指标 优化前后墙体布置图见下图： 图2优化前后剪力墙布置对比 图3优化前后楼板布置对比 4.1刚度的变化： 本次优化将短墙肢取消，同时取消了很多位 置的墙体，替换为一些比较均匀布置的墙体，同 优化前 优化后 结论 时将墙体尽量布置在建筑物的周边，以增加平面 第一周期（s） 1.614 1.453 刚度增加 的抗扭转刚度.
位移角（X） 1/1144 1/1019 刚度略有减小 计算结果表明虽然墙体少了但是刚度较原设 位移角（Y） 1/1186 1/1301 刚度增加 计有所增加.
4.2经济指标的变化：（工程量计算采用PKPM 混凝土用量分解指标（cm/m2） 系列软件STAT工程造价软件接力计算，钢筋均 优化后 优化后 优化比率 采用III级钢） 框架梁 4.0/(13.30%) 3.2/(11.64%) 20.00% 1）混凝土指标 柱 1.322/(4.40%) 0.2/(0.73%) 84.87% 板 9.154/(30.44%) 9.5/(34.55%) -3.78% 由右表可见：剪力墙结构混凝土用量主要由 墙连梁 15.601/(51.87%) 14.6/(53.09%) 6.42% 墙体（占到50%以上）、楼板（占到30%以上） 合计 30.077/(100%) 27.5/(100%) 8.57% 组成.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 由于墙体数量与所处地震烈度、楼高、楼体刚度有很大关系.
烈度、楼高一定，墙体用量基本上是定 数，只有适当调整墙体位置才能够得到一个很好的刚度.
因此混凝土用量优化空间不大，在10%以内.
2）钢筋用量指标 由下表可见：剪力墙结构钢筋用量主要是墙体占45%以上、梁板各占15%~20%，墙体内暗柱、连梁 钢筋占比率相对较大.
优化的思路着重从优化墙体着手.
本工程由于将大部分的短墙肢优化为一定长 度的墙体后，墙体配筋优化比率在20%以上，经济效果非常明显.
优化前后用钢量指标 用钢量（kg/m2） 原方案 占总用钢量比率 优化后 占总用钢量比率 优化比率 框架梁 9.204 19.82% 6.71 18.20% 27.10% 柱 1.873 4.03% 0.042 0.11% 97.76% 板 8.612 18.54% 7.181 19.47% 16.62% 墙连梁 21.755 46.84% 17.945 48.66% 17.51% 二次结构 5 10.77% 5 13.56% 0.00% 合计 46.444 100.00% 36.878 100.00% 20.60% 3）墙体用钢量指标分解 由下表原方案大量短墙肢结构导致暗柱用钢量占比过大，暗柱钢筋墙内合理用量占50%左右，优化 的主要内容为暗柱钢筋.
用钢量（kg/m2） 原方案 原方案占比 优化后 优化后占比 暗柱 13.57362 62.39% 8.882448 50.33% 境体 7.900828 36.32% 7.877903 44.64% 连梁 0.281054 1.29% 0.888305 5.03% 合计 21.7555 100.00% 17.64866 100.00% 4）建筑面积与结构面积的关系 实际工程中，用钢量指标往往是以建筑面积为核算依据，以上经济性指标核算依据均为结构投影面 积.
由于阳台、挑板等等非计算面积部位的存在，本工程地上用钢量经核算建筑面积后为36.878x1.045 =38.44Kg/m2.
5不同烈度区结构设计建议 依旧以本工程为例，将地震烈度调整为6度、7度、8度等常用烈度.
由以上论述，当墙体开洞小于3 米时，经济性无明显变化，因此墙体布置还按上图所示.
地震力位移 6度 7度 7.5度 8度 8度 （x向400高梁） （x向770高梁） x向 1/2932 1/1529 1601/1 1/764 1/1002 Y向 1/3903 1/1951 1/1031 1/976 1/1041 度需提高结构刚度，通过调整外围梁高及内部梁高，位移角可满足规范要求.
在结构各项指标比较合理的情况下，在不同烈度区用钢量指标见右图，结论如下： 1）8度以下地区，地震力往往不是控制因素，为保证结构经济性，墙体位置、数量变化不大.
2）剪力墙结构内框架梁在不同烈度区承担的内力有限，因此用钢量不会发生大的变化.
3）墙体配筋在低烈度区由于计算基本为构造配筋，底部加强部位配筋与非底部加强部位配筋区别不大： 随着地震力的增大，底部加强部位逐渐出现计算配筋，两者用钢量逐步加大，在模型合理的情况下6~8度 区，底部加强区用钢量为非底部加强部位的1.06~1.20倍.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 4）总用钢量随着地震力的增加，相应 增加，主要是墙体用钢量的加大，墙体用 不同烈度区用钢量指标 钢量增大比率6~8度为1.1~1.3倍范围内.
用钢量（kg/m2） 6度 7度 7.5度 8度 框架梁 6.692 6.616 6.71 6.881 6结论 板 7.181 7.181 7.181 7.181 墙连梁 15.302 17.149 17.945 19.001 1.低烈度区，楼层不高的情况下剪力 二次结构 5 5 5 5 墙结构地震力不是控制作用，从经济性角 合计 34.175 35.946 36.836 38.063 度考虑，抗震等级相同的楼，用钢量指标 其中底部加强区墙 几乎没有多大变化.
连梁用钢量 16.868 19.504 20.381 23.321 2.高烈度区（8度及以上地区），由于地震力为控制因素，20层左右（60米以下）楼墙体布置相对比 较合理，超出此范围为满足地震力下的最大位移角的要求，需要增加更多的墙体，导致用钢量明显增加.
3.住宅剪力墙结构尽量不要采用过多的短墙肢结构.
4.20层以下住宅剪力墙结构地上合理用钢量（以结构面积计算）6度在33~36kg/m2左右，每增加一度 可加大2-4kg/m2左右（8度区20层以上的楼除外）.
5.确定用钢量注意建筑面积与结构面积的区别.
参考文献 [1]建筑物抗震设计规范
