1.陆河县建筑设计室广东陆河516700；
2.深圳市物业国际建筑设计有限公司广东深圳518000
摘要：本文主要针对高层建筑工程剪力墙结构的优化设计展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对剪力墙布置和基础选型两方面作了详细的阐述和系统的分析，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
关键词：高层建筑；剪力墙；优化设计
0前言
所谓的剪力墙，又称抗风墙、抗震墙或结构墙，是房屋或构筑物中主要承受风荷载或地震作用引起的水平荷载和竖向荷载的墙体。随着如今，建筑施工越来越往高层和超高层发展，剪力墙的施工也随之得到了广泛的应用。基于此，本文就高层建筑工程剪力墙结构的优化设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1工程概况
某建筑B1#住宅楼：总建筑面积5011平方米，建筑物长44.2米，宽12.0米，房屋总高度为31.2米。本建筑地下一层，层高为3.9米；地上十层，地上一层层高4.2米，以上每层层高均为3.0米。本工程抗震设防烈度为8度，设计地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组；剪力墙抗震等级为二级，建筑物安全等级为二级；场地土类别为II类，最大冻土深度为0.8米，场地土不考虑液化、无湿陷。
2剪力墙布置
根据《高规》中剪力墙布置的基本原则，结合建筑图布置剪力墙。
（1）剪力墙宜简单、规则，沿两个方向双向布置，两个方向的刚度不宜相差太大，以控制扭转的不利影响。
（2）剪力墙不宜过长，较长的剪力墙应开设洞口，将其分成长度较为均匀的若干墙段，墙段用弱连梁连接，且墙长不宜大于8米。
（3）先在建筑外墙周圈和楼梯或电梯井筒部位布置剪力墙，门窗洞口宜上下对齐，成列布置，避免形成错洞墙使剪力墙上下传力不连续而产生刚度突变。
（4）剪力墙根据房间布局沿两个轴线方向布置成T型、L型、+字形。
（5）剪力墙厚度的确定：剪力墙的底部加强区的高度取底部两层（4.2+3.0=7.2m）和墙体总高度的1/10（31.2/10=3.1m）的二者的较大值，故底部加强区的高度取7.2m。因本工程为二级剪力墙，根据规范构造要求底部加强部位的厚度取200mm，以上部分取200mm。
（6）通过以上分析，第一次剪力墙布置。并在PKPM中输入参数建模，进行内力计算得出以下数据：
位移比：
最大层间位移角
X方向最大层间位移角：1/1567（1/1000规范限值）
Y方向最大层间位移角：1/1005（1/1000规范限值）最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值
X方向最大位移与层平均位移的比值：1.02（1.2规范限值）
Y方向最大位移与层平均位移的比值：1.28（1.2规范限值）
X方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.01（1.2规范限值）
Y方向最大层间位移与平均层间位移的比值：1.32（1.2规范限值）
周期比：
结构以扭转为主的第一自振周期Ta=0.9238
结构以平动为主的第一自振周期Tb=1.0059
从以上数据显示，《高规》第3.4.5条规定最大位移与层平均位移的比值、最大层间位移与平均层间位移的比值，A级高度高层建筑分别不宜大于1.2，不应大于1.5，以上数据不满足要求。这说明结构平面不规则，质量与刚度产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转，应调整抗测力结构布置，使其分布均匀。从以上位移角数值可见，X向最大层间位移角为1/1567<1/1000，这虽然满足了规范要求，但比规范限值1/1000的要求小很多，说明X向剪力墙布置较多、刚度较大，应适当减少墙体数量或缩短墙肢长度来削弱其刚度。
验算周期比的目的，主要是为了控制结构在罕遇大震下的扭转效应。周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。从以上结果显示Ta/Tb=0.9238/1.0059=0.91>0.9，周期比不满足《高规》第3.4.5的要求，说明结构外围墙体相对于内墙刚度较弱，不能约束结构地震力产生的扭转变形。总的调整原则是加强结构外围墙或梁的刚度，适当削弱结构内墙和连梁的刚度。从SATWE程序中的结构整体空间震动简图的第一振型来看，，X向以平动为主的模拟三维图形振动时，在结构右侧上角有部分扭转，说明（1-18）轴处刚度较弱，应将此处剪力墙洞口减小或加强连梁。
从轴压比来看，在地下室（1-9）轴、（1-11）轴与（1-A）轴相交的剪力墙轴压比为0.63、0.62，大于规范规定的0.6的限值。在X向受建筑平立面的的局限，不能加大墙肢长度，只能提高混凝土标号或把地下一层墙体的厚度加大。
从SATWE程序中结果显示：短肢剪力墙承担的底部倾覆力矩与结构底部总地震倾覆力矩的比值为54.9%>50%，不满足规范的要求，应加大部分墙肢的长度。
经过以上分析，重新调整剪力墙反复计算后，X方向最大层间位移角为1/1075，与Y方向1/1056数值接近，两个方向的刚度接近，比较合理。周期比Ta/Tb=0.7362/1.0377=0.70<0.9，以及墙肢的轴压比均满足了规范要求。
剪力墙在结构中布置比较灵活，可调整性大，从而导致有不同的计算结果，剪力墙布置应在满足规范要求的前提下，最终经过位移比、周期比、轴压比等各项指标控制，得出经济合理的布置方案。
3基础选型
3.1基础形式的确定
建筑物基础是整个结构的重要组成部分，它将上部结构传来的巨大荷载传递给地基。高层建筑基础形式选择的合理，不但关系到结构的安全，而且对房屋的造价、施工工期等有重大影响。因此，在确定基础形式时，应对上部结构和地质勘探资料进行认真研究，选用合理的基础方案。
现初步确定基础持力层为第②层砂质粉土与粘质粉土互层：褐平均层厚2.63m。地基承载力标准值fak=120kPa。
该建筑物南侧与地下车库相连，其余三面为天然地面，室外地面标高为0.600～-0.100m，地下室室内地面的标高为-3.600m，现初步确定该建筑物采用筏板基础，基础底标高为-4.70m。根据地勘资料，该建筑物基础底位于②层砂质粉土与粘质粉土互层上，该层土的地基承载力特征值为fak=120kPa。本建筑物为地下一层、地上十层，根据经验判定，地基承载力特征值大约需要180kPa，现不满足要求，这就需要对该层土的地基承载力特征值进行修正。在进行深度修正时，可将地下车库基础以上的总荷载折算成土重，再以此土重换算成若干深度之土。考虑到地下车库的板顶设有2m厚的覆土以及地下车库250mm厚的顶板重量，折算出土的深度为2.34m，最后加上基础本身的埋深为1.1m，算出修正深度d=3.44m。设计时考虑到要有一定的安全储备，最终确定地基承载力作用的基础埋置深度为2.8m。根据《地规》5.2.4的公式，修正后的地基承载力特征值：
fa=120＋18×1.5×（2.8－0.5）=182.1kPa>176kPa（筏板板底平均反力），满足设计要求。其次筏形基础的整体性好，沉降小，调整地基不均匀沉降的能力强，最终确定该建筑选用筏板基础。
3.2筏板类型的确定
筏板基础又分为平板式筏基和梁板式筏基，其选择要根据工程地质，上部结构体系、柱距、荷载大小以及施工条件等综合因素确定。
下面以本工程为例，通过PKPM中的JCCAD结构计算软件，结合以上筏板的构造要求，对这两种基础形式进行分析计算，选出最优方案。
3.2.1梁板式筏板基础
（1）《地基规范》规定基础的混凝土等级不应低于C30，地下室墙体混凝土的等级经计算确定为C35，根据上部结构剪力墙的布置在轴线纵横两个方向设置地基梁，把筏板分隔成不同跨度的双向或单向板。这种基础的传力体系是地基反力传给底板，底板再传给次梁，次梁传给主梁。地基梁高度取平均柱距的1/6。
（2）输入筏板附加荷载，进行重心校核。因为高层建筑由于质心高、荷载重，对基础底面难免有偏心而使基础产生倾斜。当筏板基础开始产生倾斜后，建筑物总重对基础底面形心将产生新的倾覆力矩增量，而倾覆力矩的增量又产生新的倾覆增量，倾斜可能随时间而增长，直至地基变形稳定为止。因此，为避免基础产生倾斜，应尽量使结构竖向荷载重心与筏板平面形心重合。若不重合，在荷载效应准永久组合下，偏心距应符合以下要求：e≦0.1W/A（W为偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗距；A为基础底面积），从JCCAD计算结果显示两个形心不重合，且e/（0.1W/A）=1.1>1。这时我们通过加大或减小筏板挑出宽度的方法来进行调整，原来试算的筏板挑出宽度为0.8m，现将建筑物宽度方向加大为1m，再代入重新计算，满足要求。
（3）进入弹性地基梁计算，输入基本参数，计算出地基梁配筋和底板配筋。从结果看出底板配筋普遍都很大，有个别还超筋，说明筏板厚度可能取小了，厚度加大为500mm，再重新计算，此结果相对合理。
3.2.2平板式筏板基础
（1）同样混凝土采用C35，钢筋采用HRB400级，筏板厚度确定为500mm，围区生成。
（2）输入筏板附加荷载，进行单墙或多墙的抗冲切计算。结果显示，局部如电梯井四周剪力墙底部荷载较大的地方不满足《地基规范》中8.4.7条公式的要求，此处采取局部筏板加厚到600～800mm的方法，再重新试算，直到满足设计要求，为了施工方便，最后局部加厚的板均统一为800mm厚。
（3）进入有限元进行计算。
最后计算出底板配筋结果满足要求。
3.3结论
通过以上两种基础形式的计算结果可看出：
（1）梁板式筏基中由于某些基础梁的跨度大，承受的地基反力也大，导致梁的断面较高，配筋也较大，使基础的埋深相应地加深，增加了费用，提高了造价。例如在图中有个别梁的跨度已达8～9m，梁高已取到1200mm左右。
（2）梁板式筏基中有些梁，例如（1-5）轴、（1-7）轴的梁单纯地为了分割大板而设置地基梁，不经济；而平板式筏基无需设地基梁，节省了混凝土和钢材的用量。
（3）在（B-1）轴的次梁与各轴线间的主梁互搭，传力不明确。
（4）从板配筋计算结果显示：大部分被地基梁分割的异形板配筋都很大，而平板式筏板网格划分相对均匀，所以配筋也相对均匀，且大部分为构造配筋。
（5）施工方面。梁板式筏基施工时梁板不同高，地基梁上翻进入地下室底板，影响地下室使用空间，若把地基梁埋入土中，基础埋深加大，基础筏板附加荷载也会加大。地基梁下翻对地基梁下周圈土的压实度有影响，同时也给基础的防水做法增加了难度。平板式筏基开挖基坑到筏板底部，钢筋排布及混凝土浇筑方便，易于施工且有利于地下室空间利用，缩短的工期约为1/4。
（6）用钢量的比较。经统计计算，梁板式筏板基础总用钢量约31.4t，每平米用钢量17.5kg/m2；平板式筏板基础总用钢量为18.84t，每平米用钢量10.5kg/m2。使用平板式筏板可节约用钢量约35%。
4结语
综上所述，剪力墙对于高层建筑的施工来说有着相当重要的作用，因此，我们必须要重视对剪力墙的施工工程，并要做好剪力墙结构的优化设计，以保障高层建筑剪力墙工程的施工质量。
参考文献：
[1]滕莹.谈高层住宅建筑剪力墙结构设计与优化[J].才智.2011（28）.
[2]胡昌哲.剪力墙结构设计的几个问题[J].黑龙江科技信息.2010（09）.