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摘要：剪力墙是一种纵、横向承重结构皆是结构墙的结构，其具有刚度大、强度高及抗震性好等优点，因此在高层建筑工程中得以广泛应用。在本案，笔者以XX住宅楼为例，探究建筑项目剪力墙结构的设计。
关键词：住宅楼；剪力墙结构；设计
一、工程概况
XX住宅楼是一栋二级居住建筑，其建筑层数20层，其中地下2层、地上18层，建筑面积16116m2，其中地下1640m2、地上14476m2，建筑总高度52.4m，使用年限50年。该建筑采用剪力墙结构及复合地基，基本风压 ，地面粗糙B类。依据《建筑抗震设计规范》得到，设计地震加速度是0.15g。依据《高层建筑混凝土结构技术规程》（简称《高规》）得到，剪力墙抗震等级是三级。为了满足建筑功能与剪力墙结构设计条件，要求剪力墙结构设计坚持下列原则：一是对抵抗风荷载、地震荷载有利；二是剪力墙抗侧移能力得以充分发挥；三是材料力学性能得以充分发挥，且截面在优化后的受力更合理；四是结构造价经济。从这一角度，设计了2个剪力墙结构布置方案。下面，笔者通过比较分析，从这2个方案中选出最优方案。
二、结构布置方案
该建筑的高宽比 ，与《高规》规定的最大高宽度 相符。依据《高规》，高层建筑的竖向体型应规则、均匀且立面尽可能不出现较大突变；结构的侧向刚度应上小下大，循序渐变。其中，竖向刚度的影响因素包括材料等级、截面尺寸两种。据此，在剪力墙结构设计时，分批且错开改变材料等级及构件截面尺寸，以保证刚度变化的均匀性。在结构平面布置上，尽可能均匀对称及控制扭矩的影响，以减少震害。综合考虑，建立图1所示2个剪力墙结构布置方案。
方案二
图1 剪力墙结构平面布置图
在方案一中，剪力墙布置在洞口的两侧，而方案二是在方案一的基础上调整而来，即：去掉洞口附近剪力墙的部分翼缘，以减少剪力墙的数量；调整部分洞口两侧的墙体，以改变其截面形式、降低结构内力及节省钢材。
三、设计参数取值
（一）最大地震力作用方向
在地震波作用时，任一方向上地震力以相同的几率出现，但结构在每一方向的反应却不同，其中最大地震力作用方向是对结构最不利的方向。依据《高规》，最大地震力方向角的绝对值应≤15度，否则需回填数值重新计算。
（二）结构基本周期
在结构抗风荷载设计时，结构基本周期是必考虑要素。倘若不清楚结构基本周期的确切数值，则先保留缺省值，再从缺省计算结果中选取计算数值，然后再重新计算。
（三）藕联抗震计算
在抗震设计中，将扭转藕联考虑其中非常关键，即考虑平扭藕联或不同方向位移的相互影响，因为结构变形一般沿次弱、最弱方向自由振动，其中振动形式包括平动、纯扭、平扭藕联及每一振型、周期以相同的几率出现，且是三维的及三个方向相互影响。
（四）振型组合数
在结构计算时，考虑的振型数量便是振型组合数，其取值的合理性一般从X、Y向的有效质量系数来进行判断，即：若都＞0.9，则合理；若其中之一≤0.9，则偏小，注意结构的最大振型组合数不得超出其自由度数。
（五）周期折减系数
在计算结构刚度时，考虑周期折减是为了了解内部填充墙的影响。一般来讲，周期折减系数仅会使地震周期改变，而不会使振动特性改变。依据《高规》，在计算地震影响系数时，应折减结构的自振周期，即按0.8-1.0取折减系数及其与非承重墙的材料、数量有关。
（六）偶然偏心
在结构抗震计算时，偶然偏心是必考虑要素，且据《高规》规定，在单向地震作用下，每一层质点会在与地震方向垂直的方向上产生偏移，即 （Li是建筑物与地震方向垂直的总长度）。
本文选用的分析程序是PKPM系列软件的SATWE程序，输入计算得结构信息见表1。
四、对比分析
（一）动力特征对比
计算得到，方案一、二的地震作用最大方向分别是8.852°和3.469°。通过周期对比发现，方案二的周期比方案一大，方案二结构的柔性比方案一大。在方案二中，局部的T形截面改成L形截面，可减少剪力墙的数量及降低其刚度，同时平动特征因双向刚度的差值变大而出现明显的扭转特征。案例工程是A级高度建筑，计算得出方案一、二的Tt/Tl（Tt=是结构的第一扭转自振周期；Tl是结构的第一平动周期）分别是0.64和0.72，则2个方案都与《高规》规定的Tt/Tl≤0.9相符，其中方案二的扭转比方案一大；方案一、二的振型组合数都是15个，且在X、Y向上的有效质量系数都＞90%，则都与《高规》相符。
（二）变形特征对比
从变形特征来看，笔者主要从结构顶点位移、层间位移两个方面进行对比。
1.结构顶点位移：方案二的剪力墙布置数量比方案一少，则方案二的楼层高度更小，表明方案二的顶点位移较大，特别是在风荷载条件下更大，但2个方案的位移都与规范相符。
2.层间位移：计算发现，方案二的层间位移量比方案一大，即：在结构布置时，方案二的剪力墙数量比方案一少，则方案二的剪力墙抗侧移刚度更小及层间位移更大。同时，方案一采用的是T形剪力墙，其在X、Y向上的刚度基本平衡，则其扭转效应小；方案二的剪力墙截面形式较为简单，则其整体刚度小，导致层间位移大即在X、Y向上的刚度差大，因此方案二的扭转效应较为明显。依据《高规》，剪力墙结构的层间角位移u/h(u是层间位移；h是层高）应控制在1/1000。计算发现，方案一、二的层间最大角位移都满足《高规》的规定，即分别是1/1236、1/1093，其中方案二与规定值更接近，且经济性更明显。
综上，方案二的层间（角）位移及最大层间（角）位移都比方案一大，表明方案二的设计更为经济、安全。与方案二相比，方案一的设计更为保守，后期对钢的需求量更大，则经济小较弱。
（三）内力对比
剪力墙结构的内力涉及恒、活及偶然荷载条件下的内力。计算结果显示，2个方案在X、Y向上的弯矩、剪力比值都与1接近，表明方案一、二在X、Y向上的刚度接近及其平面布置合理。在双向地震条件下，方案一的地震响应力高出方案二10-20%，表明方案二承受的地震力更高，且在地震烈度要求相同时，方案二对钢的需用量更少，则经济性更明显。
五、结论
高层建筑剪力墙结构设计的目的是确定结构的最佳刚度，以提高结构整体的安全性、稳定性及经济性。通过从内力、变形性及动力性角度进行对比确定，方案二优于方案一，即：一是方案一、二的第一平动周期分别是1.5507s和1.8163s，表面方案二的柔性更大；二是方案一、二的最大角位移分别是1/1236和1/1093，虽都符合《规程》规定的＜1/1000，但方案二与规定值更接近，则经济性更明显；三是在地震条件下，方案二的层间弯矩、剪力都比方案一小，表明方案二的内力更小及对钢的需用量更少，则经济性更明显。
参考文献：
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论文作者:施慧
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第8期
论文发表时间:2017/8/16
标签：方案论文; 结构论文; 位移论文; 剪力墙论文; 刚度论文; 周期论文; 建筑论文; 《建筑学研究前沿》2017年第8期论文;