剪力墻結(jié)構(gòu)是一種常見結(jié)構(gòu)形式，特別是在量大面廣的高層住宅中廣泛應(yīng)用。剪力墻結(jié)構(gòu)由于梁和板的跨度不大，梁和板的優(yōu)化空間相對(duì)較小。下面從墻肢布置、結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)取值、性能控制指標(biāo)( 如位移角) 三個(gè)方面討論剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法。
1.平面布置原則
墻肢布置的優(yōu)劣直接從宏觀上影響整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此優(yōu)化布置是進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。剪力墻布置宜遵循如下四點(diǎn)原則。
1. 1 墻肢對(duì)齊布置
剪力墻構(gòu)件作為高層剪力墻結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)移構(gòu)件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮墻肢間的聯(lián)動(dòng)效用。因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)，同一方向的墻肢宜均勻布置，在平面上形成多道聯(lián)肢剪力墻協(xié)同工作，盡量避免剪力墻錯(cuò)位布置。如圖 1 所示的某高層住宅結(jié)構(gòu)平面 Y 向存在 4 片墻肢剛好錯(cuò)位布置的情況( 圖1 中框起部分的墻肢) 。稍微調(diào)整該墻肢的位置，可形成 2 道聯(lián)肢剪力墻，則對(duì)齊布置的計(jì)算模型局部側(cè)向剛度可增加 10% 。
1. 2 墻肢均勻布置
高層建筑結(jié)構(gòu)在滿足承受豎向荷載和結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度的需要外，還應(yīng)具有一定的抗扭轉(zhuǎn)剛度。具體設(shè)計(jì)過程中，可通過適當(dāng)加強(qiáng)周邊剪力墻以及外圈梁，調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度中心與結(jié)構(gòu)平面幾何形心、質(zhì)量中心的 相 對(duì) 位 置，盡 量 做 到“三 心”重 合 的 理 想效果。
1. 3 避免使用短肢剪力墻或長(zhǎng)墻
由于短肢剪力墻的延性較差，且構(gòu)造要求高，鋼筋用量較大，結(jié)構(gòu)布置時(shí)應(yīng)避免使用短肢剪力墻。墻肢長(zhǎng)度過長(zhǎng)，剛度過大，會(huì)造成地震力比較集中。剪力墻結(jié)構(gòu)中如果存在少量長(zhǎng)墻，地震作用下的樓層剪力主要由這部分長(zhǎng)墻承受，發(fā)生超烈度地震時(shí)該部分墻肢由于承受巨大的地震力往往首先破壞，由于其他墻肢的承載力較弱，容易造成剪力墻墻肢由強(qiáng)到弱各個(gè)擊破的破壞形式，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。因此，進(jìn)行剪力墻結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜使各墻肢剛度
接近，盡量避免使用長(zhǎng)墻。
1. 4 優(yōu)先采用帶翼緣墻
L 形、T 形的剪力墻因墻肢端部的翼墻起到扶壁作用，穩(wěn)定性較好，同時(shí)也比較容易滿足框架梁搭接在剪力墻端部時(shí)鋼筋的錨固長(zhǎng)度要求，進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置時(shí)宜優(yōu)先采用，L 形、T 形墻的翼墻長(zhǎng)度可控 制 在 0. 5 ～ 1. 0m，翼 墻 長(zhǎng) 度 越短，則 配 筋越少。
2.計(jì)算參數(shù)的敏感性
對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋用量敏感的參數(shù)包括: 周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、梁剛度增大系數(shù)、考慮壓筋影響的梁配筋計(jì)算、考慮樓板作為翼緣的梁配筋計(jì)算、樓板計(jì)算假定、次梁的抗震等級(jí)等。限于篇幅，以下選取周期折減系數(shù)、樓板計(jì)算假定和次梁的抗震等級(jí)進(jìn)行分析。
2. 1 周期折減系數(shù)
周期折減系數(shù)不影響結(jié)構(gòu)剛度，但影響結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)大小。周期折減系數(shù)可通過軟件計(jì)算得到，如采用 GSSAP 軟件分別計(jì)算有填充墻模型和無填充墻模型的第一周期，以這兩個(gè)周期的比值作為折減依據(jù)。
某 12 層剪力墻結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型如圖 2 所示，該結(jié)構(gòu)填充墻比較多，計(jì)算得到的周期折減系數(shù)為0. 95。某 32 層剪力墻結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型如圖 3 所示，該結(jié)構(gòu)填充墻比較少，計(jì)算得到的周期折減系數(shù)為 1. 0。兩模型的計(jì)算結(jié)果見表 1。
充墻剛度) 的基本周期來確定。
2. 2 樓板計(jì)算假定
在結(jié)構(gòu)整體計(jì)算中，一般情況下樓板可采用剛性板或彈性板假定。剛性板假定下可通過梁剛度放大系數(shù)考慮樓板的剛度貢獻(xiàn)，而彈性板假定下，樓板與梁共同工作，較真實(shí)地考慮了樓板面外剛度的貢獻(xiàn)。采用不同的樓板假定所計(jì)算得到的梁板內(nèi)力分配不同，從而梁板的計(jì)算配筋也不同。
某 32 層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)，其標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖 4 所示，樓板分別采用剛性板( 中梁剛度放大系數(shù)取 1. 8) 和彈性板( 殼元) 假設(shè)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)構(gòu)第一周期分別是 2. 784s 和 3. 025s，可見，基于彈性板假定的結(jié)構(gòu)整體剛度比剛性板假定大，基于彈性板假定計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)比基于剛性板假定要節(jié)省鋼材，每平方米梁鋼筋用量減少約 2kg。
2. 3 次梁的抗震等級(jí)
采用常用設(shè)計(jì)軟件建模時(shí)，與墻相連的梁的建模一般按主梁輸入，是否按次梁設(shè)計(jì)由軟件判斷或工程師指定。次梁是非抗震構(gòu)件，若按抗震構(gòu)件設(shè)計(jì)將提高梁的最小配筋率和其他構(gòu)造要求。當(dāng)前全國各地對(duì)次梁的判斷有如下 5 種選擇( 按次梁數(shù)量從少到多排列) : 1) 所有與墻肢垂直相連的梁判斷為框架梁; 2) 有一端與墻垂直相連的梁判斷為次梁; 3) 兩端與墻垂直相連的梁判斷為次梁; 4) 一端與墻方向一致，另一端搭在梁上的梁判斷為次梁;5) 一端與墻方向一致，另一端不論如何搭接均判斷為次梁。目前多數(shù)采用第 3 種情況，即兩端與墻垂直相連的梁判斷為次梁。
3.不同層間位移角的材料用量比較
某品字形高層住宅，結(jié)構(gòu)總高度為 97. 5m，地下1 層，地上 32 層，首層層高 4. 5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高 3m，結(jié)構(gòu)平面布置如圖 5 所示。本工程位于 7 度區(qū)，基本地震加速度 0. 10g，Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本風(fēng)壓 0. 30kN /m2 ，地面粗糙度為 B 類。
通過修改抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和局部調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，使得結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的最大層間位移 角 分 別 滿 足 1 /700，1 /800，1 /1 000，1 /1 300，1 /1 600的限值要求。
由表 2 可知，層間位移角按 1 /1 300 的限值控制的鋼筋用量最少，層間位移角按 1 /700 的限值控制的混凝土用量最少�？梢姡Y(jié)構(gòu)剛度越大，剪力墻用鋼量越大，梁用鋼量越小，但混凝土用量越大。比較材料總造價(jià)，則層間位移角限值越大越節(jié)省材料用量; 若執(zhí)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3—2010) ( 簡(jiǎn)稱高規(guī)) ，則層間位移角接近1 /1 000 限值時(shí)材料用量最節(jié)省; 若執(zhí)行廣東省高規(guī) ，則層間位移角接近 1 /800 限值時(shí)材料用量最節(jié)省。
