剪力墙结构体系优化设计探讨
龚嘉畋
（上海中科建筑设计院有限公司，上海２０００３１）
［摘
要］
分析工程实践中高层建筑剪力墙结构体系设计中遇到的主要问题，提出相应的解决方
法和优化建议，供设计人员参考。
［关键词］一般剪力墙结构；短肢剪力墙结构；边缘构件；优化设计
１剪力墙结构体系的优缺点
随着人们对住宅舒适度要求的不断提高，原来框
三是控制有代表值，并控制在表１所列范围内较为合适。
效质量系数。这个参数的意义与剪重比λ相似，是判定结构振型的重要指标，也是判定地震作用的重要指标。当有效地震作用系数大于９０％时，表示振型数、地震作用满足规范要求；反之应该增加计算的振型数。
因此，在高层剪力墙结构设计中，既要发挥剪力墙体系抗侧刚度大的优点，又要减少工程费用。尤其是在目前竞争激烈的建筑市场，开发商把高层剪力墙住宅每平米的混凝土用量和钢筋用量作为一项硬指标对设计院进行考核，同时政府也提倡设计中节约原材料，因此优化设计就成了一个必不可少的手段。为此，根据工程设计实践，笔者浅析探讨如何优化设计方案。
架结构体系因露柱露梁已不能满足人们对住宅空间的要求。而剪力墙结构体系的住宅刚度大、整体性好，用钢量较框架结构少；同时承重的竖向构件和梁（包括框架梁、普通梁、连梁等）可以做到与建筑内外墙同等厚度和宽度，室内无露梁露柱，体型简洁，便于室内布置，目前已成为高层住宅采用的主要结构形式。但是，此结构体系有一些缺点：
（１）剪力墙结构抗侧刚度大，易引起较大地震反应，使得上部结构和基础费用增加。
（２）混凝土墙体较多，建筑物自量增加。
（３）施工难度大，而且使用过程中平面布局不能随意更改。
历次震害表明，刚度较大的结构一般受损较轻。但是，结构刚度不能无限增大，因为一般情况下，建筑物刚度越大，工程费用越高，这里有一个“度”的问题。对高层度”主要有三个因素：一是控制结建筑而言，控制这个“
构的水平位移，使结构水平位移满足ＪＧＪ３－２００２《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》中有关结构水平位移限值１／１０００的要求。二是控制剪力系数，即剪重比。因为在地震力计算值偏小的情况下，有时也会出现λ
结构顶点位移满足要求、构件无超筋的情况，此时只有
表１剪力墙结构合适的
经验值底部剪力系数λ
场地
烈度
２剪力墙结构体系的选择
作者设计完成上海虹桥某地块一幢地上１３层、地
下１层的住宅楼结构平面布置图，见图１。
该项目业主方要求严格控制土建成本，进行限额设计：按照建筑面积折算混凝土用量０．５ｍ３／ｍ２，钢筋用量６０ｋｇ／ｍ２。
按照传统的设计方法，上海地区１８层以下的高层住宅多采用短肢剪力墙结构体系，图１所示的结构布置根据经验做法应定为短肢剪力墙体系。短肢剪力墙体系混凝土用量较省，但在抗震设防烈度７度地区短肢剪力墙体系的缺点明显：首先，短肢墙的抗震等级要提高一级，即从三级调整为二级，所以计算参数要放大，墙柱轴压比控制更严格，构造措施也要加强。其次，短肢剪力墙体系底部加强区应该设置约束边缘构件，约束边缘构件的纵筋配筋率和整个短肢墙的纵筋配筋率不应小于１．０％和１．２％。所以总的来说，短肢剪力墙体系中约束边缘构件和墙身纵筋用量基本是由全截面控制
底部剪力在合理范围内，检查位移、内力及配筋情况才有意义。剪力墙结构的底部剪力系数λ＝底部剪力标准值／结构重力荷载
Ｉ
ＩＩＩＩＩＩＶ
７
０．０１５￣０．０２０．０３￣０．０４０．０４￣０．０５０．０５￣０．０８８０．０３￣０．０５０．０５￣０．０７０．０７￣０．１００．１２￣０．１５９０．０８￣０．１００．１０￣０．１５０．１３￣０．１８０．１８￣０．２５
２００７年４期
图１某住宅楼结构平面布置图
的，类似的高层住宅如果采用短肢剪力墙结构体系，钢筋用量一般不小于７０ｋｇ／ｍ２￣７５ｋｇ／ｍ２。在此情况下，短肢剪力墙体系显然很难满足业主的要求。
笔者在设计中进行了改进，从结构布置上采用弱连梁联系的方式形成尽可能多的联肢墙，一方面避免刚度过大，另一方面从结构受力上分析仍然是整体墙，属大开口剪力墙。参照《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》７．１．２条的规定，该结构布置可以归于一般剪力墙体系。图２是ＳＡＴＷＥ输出的该楼Ｘ／Ｙ方向最大楼层位移曲线。楼层位移曲线反映了所选体系更接近于一般剪力墙体系的弯曲变形曲线，而非短肢剪力墙体系的剪切变形曲线。
基于以上两点，采用一般剪力墙体系的模型算法对该结构进行分析应当是合理的。经计算，结构的周期、楼层位移、剪重比都控制在了一个合理的范围。由于一
般剪力墙结构不存在局部抗震墙抗震等级提高的问题，底部加强区也只需设置构造边缘构件，构造边缘构件的构造配筋率仅为０．５％，一般剪力墙整个墙肢的纵筋配筋率构造要求也仅为０．２５％，远低于短肢剪力墙体系
１．２％的要求。所以在适当加大混凝土用量的情况下，钢
筋用量大幅下降，最终该项目实际用钢量５８ｋｇ／ｍ２，混凝土用量０．４６ｍ３／ｍ２，满足了业主方的要求。
３剪力墙边缘构件配筋
剪力墙设置边缘构件后，受拉区边缘抗拉能力增
强，极限承载力提高，延性和耗能能力增大。此外，边缘构件还增强了墙体平面的稳定性，所以有抗震要求的剪力墙应设置边缘构件。但不同的设计院及结构工程师对现行主流结构设计软件ＳＡＴＷＥ中剪力墙边缘构件计算的技术条件和形成的配筋尚存在不同的理解和认识。其他著作资料中对剪力墙边缘构件的截面面积和配筋大小的取值也不尽相同，导致实际工程设计中边缘构件配筋比较混乱，造成了不必要的浪费甚至是不安全因素。作者通过阅读有关规范及其他参考资料，并结合受力分析，认为边缘构件中配筋可以适当优化。
以前面介绍的１３层商品房为例，ＳＡＴＷＥ输出的部分剪力墙配筋结果如图３所示。
图３中虚线所示的转角柱，根据大多数设计院的
图２楼层位移曲线
实际做法，对于Ｌ型转角柱角部重叠部位配筋应当是
５６・
２００７年４期
Ｘ、Ｙ两个方向的计算配筋之和，即
按照这种配筋，不仅边缘１２＋８＝２０。
构件中纵筋数量多，直径大，施工难度高，而且造成了浪费。这种经验做法是一种偏安全的做法，但Ｘ、
Ｙ两个方向的配筋累加并无规范和
理论依据。该项目在ＳＡＴＷＥ输出前处理菜单中已经考虑了双向地震力，
即Ｓ＝
!ＳＸ＋（０．８２ＳＹ）或Ｓ＝
Ｙ两个方向的水!ＳＹ＋（０．８２ＳＸ），Ｘ、
平力作用效应已经适当放大；而且根据ＳＡＴＷＥ的计算手册算法，Ｌ型剪力墙计算时程序只是分别按照Ｘ和Ｙ两个方向的一字形墙元模型计算，并未考虑相邻翼缘的刚度贡献和配筋影响，所以本身计算结构已经偏于保守，在此基础上类似于双偏压计算的角部配筋累加就显得有些浪费。而按照较大一边的计算结果对重叠部位进行配筋控制是比较合理的，见表２所示。
对于建筑物角部和刚度较大吸收了大部分水平力的核心筒部位，由于应力集中，转角柱角部的配筋可按照此方法进行适当放大：配筋＝
截面
图３表２
某住宅楼剪力墙配筋图剪力墙转角柱配筋比较
ｍａｘ（Ｘ向计算配筋，Ｙ向计算配筋）＋１ｍｉｎ（Ｘ向计算配筋，Ｙ向计算配筋）。该项目采用上述方式对边缘构
良好的经济效益。
未标明纵筋
箍筋
４１４６１４８＠１５０
８＠１５０
件进行配筋，顺利通过图纸审查，竣工后使用取得了
参考文献：
４结语
剪力墙结构设计的关键是，既要发挥这种体系刚
［１］赵西安．现代高层建筑结构设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００．
［２］容柏生．高层住宅建筑中短肢剪力墙结构体系［Ａ］．第十四届全国高层建筑结构学术交流会论文集［Ｃ］．北京：中国建筑科学研究院结构研究所，１９９６．８０－８８．
度大、抗震性好等优点，又要克服其工程费用高等缺点。在许多情况下，并不是钢筋配的越多越好，这一点对结构设计人员非常重要。结构工程师应针对不同的项目进行合理的分析，选择与实际情况最接近的受力模型并充分了解所使用软件的编写依据和技术条件，只有这样才能够做到结构安全，技术经济合理。
［３］张元坤．剪力墙边缘构件的一种科学配筋形式．建筑结构，２００３．［４］中国建筑科学研究院ＰＫＰＭＣＡＤ工程部多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件ＳＡＴＷＥ用户手册及技术条件［Ｒ］，２００５．
［５］钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（ＪＧＪ３－２００２）［Ｓ］．北京；中国建筑工业出版社，２００２．
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剪力墙结构体系优化设计探讨
龚嘉畋
（上海中科建筑设计院有限公司，上海２０００３１）
［摘
要］
分析工程实践中高层建筑剪力墙结构体系设计中遇到的主要问题，提出相应的解决方
法和优化建议，供设计人员参考。
［关键词］一般剪力墙结构；短肢剪力墙结构；边缘构件；优化设计
１剪力墙结构体系的优缺点
随着人们对住宅舒适度要求的不断提高，原来框
三是控制有代表值，并控制在表１所列范围内较为合适。
效质量系数。这个参数的意义与剪重比λ相似，是判定结构振型的重要指标，也是判定地震作用的重要指标。当有效地震作用系数大于９０％时，表示振型数、地震作用满足规范要求；反之应该增加计算的振型数。
因此，在高层剪力墙结构设计中，既要发挥剪力墙体系抗侧刚度大的优点，又要减少工程费用。尤其是在目前竞争激烈的建筑市场，开发商把高层剪力墙住宅每平米的混凝土用量和钢筋用量作为一项硬指标对设计院进行考核，同时政府也提倡设计中节约原材料，因此优化设计就成了一个必不可少的手段。为此，根据工程设计实践，笔者浅析探讨如何优化设计方案。
架结构体系因露柱露梁已不能满足人们对住宅空间的要求。而剪力墙结构体系的住宅刚度大、整体性好，用钢量较框架结构少；同时承重的竖向构件和梁（包括框架梁、普通梁、连梁等）可以做到与建筑内外墙同等厚度和宽度，室内无露梁露柱，体型简洁，便于室内布置，目前已成为高层住宅采用的主要结构形式。但是，此结构体系有一些缺点：
（１）剪力墙结构抗侧刚度大，易引起较大地震反应，使得上部结构和基础费用增加。
（２）混凝土墙体较多，建筑物自量增加。
（３）施工难度大，而且使用过程中平面布局不能随意更改。
历次震害表明，刚度较大的结构一般受损较轻。但是，结构刚度不能无限增大，因为一般情况下，建筑物刚度越大，工程费用越高，这里有一个“度”的问题。对高层度”主要有三个因素：一是控制结建筑而言，控制这个“
构的水平位移，使结构水平位移满足ＪＧＪ３－２００２《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》中有关结构水平位移限值１／１０００的要求。二是控制剪力系数，即剪重比。因为在地震力计算值偏小的情况下，有时也会出现λ
结构顶点位移满足要求、构件无超筋的情况，此时只有
表１剪力墙结构合适的
经验值底部剪力系数λ
场地
烈度
２剪力墙结构体系的选择
作者设计完成上海虹桥某地块一幢地上１３层、地
下１层的住宅楼结构平面布置图，见图１。
该项目业主方要求严格控制土建成本，进行限额设计：按照建筑面积折算混凝土用量０．５ｍ３／ｍ２，钢筋用量６０ｋｇ／ｍ２。
按照传统的设计方法，上海地区１８层以下的高层住宅多采用短肢剪力墙结构体系，图１所示的结构布置根据经验做法应定为短肢剪力墙体系。短肢剪力墙体系混凝土用量较省，但在抗震设防烈度７度地区短肢剪力墙体系的缺点明显：首先，短肢墙的抗震等级要提高一级，即从三级调整为二级，所以计算参数要放大，墙柱轴压比控制更严格，构造措施也要加强。其次，短肢剪力墙体系底部加强区应该设置约束边缘构件，约束边缘构件的纵筋配筋率和整个短肢墙的纵筋配筋率不应小于１．０％和１．２％。所以总的来说，短肢剪力墙体系中约束边缘构件和墙身纵筋用量基本是由全截面控制
底部剪力在合理范围内，检查位移、内力及配筋情况才有意义。剪力墙结构的底部剪力系数λ＝底部剪力标准值／结构重力荷载
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ＩＩＩＩＩＩＶ
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０．０１５￣０．０２０．０３￣０．０４０．０４￣０．０５０．０５￣０．０８８０．０３￣０．０５０．０５￣０．０７０．０７￣０．１００．１２￣０．１５９０．０８￣０．１００．１０￣０．１５０．１３￣０．１８０．１８￣０．２５
２００７年４期
图１某住宅楼结构平面布置图
的，类似的高层住宅如果采用短肢剪力墙结构体系，钢筋用量一般不小于７０ｋｇ／ｍ２￣７５ｋｇ／ｍ２。在此情况下，短肢剪力墙体系显然很难满足业主的要求。
笔者在设计中进行了改进，从结构布置上采用弱连梁联系的方式形成尽可能多的联肢墙，一方面避免刚度过大，另一方面从结构受力上分析仍然是整体墙，属大开口剪力墙。参照《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》７．１．２条的规定，该结构布置可以归于一般剪力墙体系。图２是ＳＡＴＷＥ输出的该楼Ｘ／Ｙ方向最大楼层位移曲线。楼层位移曲线反映了所选体系更接近于一般剪力墙体系的弯曲变形曲线，而非短肢剪力墙体系的剪切变形曲线。
基于以上两点，采用一般剪力墙体系的模型算法对该结构进行分析应当是合理的。经计算，结构的周期、楼层位移、剪重比都控制在了一个合理的范围。由于一
般剪力墙结构不存在局部抗震墙抗震等级提高的问题，底部加强区也只需设置构造边缘构件，构造边缘构件的构造配筋率仅为０．５％，一般剪力墙整个墙肢的纵筋配筋率构造要求也仅为０．２５％，远低于短肢剪力墙体系
１．２％的要求。所以在适当加大混凝土用量的情况下，钢
筋用量大幅下降，最终该项目实际用钢量５８ｋｇ／ｍ２，混凝土用量０．４６ｍ３／ｍ２，满足了业主方的要求。
３剪力墙边缘构件配筋
剪力墙设置边缘构件后，受拉区边缘抗拉能力增
强，极限承载力提高，延性和耗能能力增大。此外，边缘构件还增强了墙体平面的稳定性，所以有抗震要求的剪力墙应设置边缘构件。但不同的设计院及结构工程师对现行主流结构设计软件ＳＡＴＷＥ中剪力墙边缘构件计算的技术条件和形成的配筋尚存在不同的理解和认识。其他著作资料中对剪力墙边缘构件的截面面积和配筋大小的取值也不尽相同，导致实际工程设计中边缘构件配筋比较混乱，造成了不必要的浪费甚至是不安全因素。作者通过阅读有关规范及其他参考资料，并结合受力分析，认为边缘构件中配筋可以适当优化。
以前面介绍的１３层商品房为例，ＳＡＴＷＥ输出的部分剪力墙配筋结果如图３所示。
图３中虚线所示的转角柱，根据大多数设计院的
图２楼层位移曲线
实际做法，对于Ｌ型转角柱角部重叠部位配筋应当是
５６・
２００７年４期
Ｘ、Ｙ两个方向的计算配筋之和，即
按照这种配筋，不仅边缘１２＋８＝２０。
构件中纵筋数量多，直径大，施工难度高，而且造成了浪费。这种经验做法是一种偏安全的做法，但Ｘ、
Ｙ两个方向的配筋累加并无规范和
理论依据。该项目在ＳＡＴＷＥ输出前处理菜单中已经考虑了双向地震力，
即Ｓ＝
!ＳＸ＋（０．８２ＳＹ）或Ｓ＝
Ｙ两个方向的水!ＳＹ＋（０．８２ＳＸ），Ｘ、
平力作用效应已经适当放大；而且根据ＳＡＴＷＥ的计算手册算法，Ｌ型剪力墙计算时程序只是分别按照Ｘ和Ｙ两个方向的一字形墙元模型计算，并未考虑相邻翼缘的刚度贡献和配筋影响，所以本身计算结构已经偏于保守，在此基础上类似于双偏压计算的角部配筋累加就显得有些浪费。而按照较大一边的计算结果对重叠部位进行配筋控制是比较合理的，见表２所示。
对于建筑物角部和刚度较大吸收了大部分水平力的核心筒部位，由于应力集中，转角柱角部的配筋可按照此方法进行适当放大：配筋＝
截面
图３表２
某住宅楼剪力墙配筋图剪力墙转角柱配筋比较
ｍａｘ（Ｘ向计算配筋，Ｙ向计算配筋）＋１ｍｉｎ（Ｘ向计算配筋，Ｙ向计算配筋）。该项目采用上述方式对边缘构
良好的经济效益。
未标明纵筋
箍筋
４１４６１４８＠１５０
８＠１５０
件进行配筋，顺利通过图纸审查，竣工后使用取得了
参考文献：
４结语
剪力墙结构设计的关键是，既要发挥这种体系刚
［１］赵西安．现代高层建筑结构设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００．
［２］容柏生．高层住宅建筑中短肢剪力墙结构体系［Ａ］．第十四届全国高层建筑结构学术交流会论文集［Ｃ］．北京：中国建筑科学研究院结构研究所，１９９６．８０－８８．
度大、抗震性好等优点，又要克服其工程费用高等缺点。在许多情况下，并不是钢筋配的越多越好，这一点对结构设计人员非常重要。结构工程师应针对不同的项目进行合理的分析，选择与实际情况最接近的受力模型并充分了解所使用软件的编写依据和技术条件，只有这样才能够做到结构安全，技术经济合理。
［３］张元坤．剪力墙边缘构件的一种科学配筋形式．建筑结构，２００３．［４］中国建筑科学研究院ＰＫＰＭＣＡＤ工程部多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件ＳＡＴＷＥ用户手册及技术条件［Ｒ］，２００５．
［５］钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程（ＪＧＪ３－２００２）［Ｓ］．北京；中国建筑工业出版社，２００２．
２００７年４期