導
言
鋼筋混凝土現澆剪力牆結構以其抗震效能好、牆體佈置靈活、開間內無樑等優點，是多高層住宅最普遍採用的結構形式。我國城鎮化建設過程中，對住宅需求量大，研究並推廣剪力牆結構的最佳化設計可節約大量建設成本。現在很多開發商為了控制結構經濟指標，儘量排除導致離散型的自然因素和建築方案因素，對建築分類採取限額設計的方式。如表1即為國內某大型房地產開發商對8度抗震設防區剪力牆結構住宅鋼筋的限額設計指標。透過某地塊住宅專案在結構方案確定及審圖過程中發現的問題，結合多年學習、研究、積累，總結出幾點關於剪力牆結構住宅最佳化設計的經驗，供廣大結構設計人員參考。
專案概況
某地塊住宅專案為三棟各自獨立的住宅樓1#、2#、3#樓，地下一層，地上分別為11層、10層、15層，層高均為2。8米。抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度0。2g，設計基本地震分組第一組，建築抗震設防類別為丙類。建設方要求地上部分按鋼筋45kg/㎡進行限額設計。
牆體佈置的最佳化
住宅建築方案拿到結構工程師手中時，牆體未區分承重牆和填充牆，如何佈置承重剪力牆是結構工程師面臨的第一個課題。筆者透過大量工程設計實踐發現，一般多高層住宅剪力牆配筋絕大部分均由抗震構造配筋控制。所以，使剪力牆的佈置能規避規範的較大構造配筋要求成為最佳化的一個關鍵點。透過熟練掌握《抗震設計規範GB50011-2010》《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3-2010》中關於剪力牆結構的有關規定，我們找到那些使牆體構造配筋增大的相關要求，然後再看看能不能找到路徑合理合規的避開這些要求。
1.
儘量避免框支剪力牆
《抗震設計規範GB50011-2010》第6。4。3條規定：“一、二、三級抗震牆的豎向和橫向分佈鋼筋的最小配筋率均不應小於0。25%”“部分框支抗震牆結構的落地抗震牆底部加強部位，豎向和橫向分佈鋼筋配筋率均不應小於0。3%”，對於200厚牆體來說，若滿足0。25%的配筋率，豎向和橫向配筋Φ8@200即可，若滿足0。30%的配筋率，需配置Φ8@150或Φ10@200，配筋量增大了33%或56%，另外，根據《抗震設計規範GB50011-2010》表6。1。2之規定，部分框支抗震牆結構底部加強部位抗震等級均普遍比未設框支的抗震牆結構提高一級，框支抗震牆力的調整增加可能使計算配筋超過構造配筋成為配筋控制因素。還有框支梁的配筋及板鋼筋等一系列構造要求均會使結構造價大量增加，在高設防烈度地區尤其如此。
某地塊住宅專案1#、2#、3#樓地下室分別為腳踏車庫、儲藏間、裝置用房，與地上住宅房間分割肯定會有差異。剪力牆佈置時與建築、裝置專業協調配合，使剪力牆體全部能落地，最終三棟樓均未出現梁託牆的框支結構，為進一步最佳化設計打下良好基礎。
2.
減少約束邊緣構件數量
住宅剪力牆牆體分佈筋通常按構造配置很小直徑（一般直徑不超過Φ10）即可滿足要求，而剪力牆兩端的邊緣構件的縱筋和箍筋按構造或計算要求均需配置較大直徑或較密間距才能滿足要求，所以剪力牆邊緣構件配筋量佔比剪力牆所有鋼筋顯得很突出，如何能減小邊緣構件的配筋量呢？
按規範規定，約束邊緣構件的配筋範圍和配筋率要求都比構造邊緣構件高出不少，例如三級抗震等級時，約束邊緣構件豎向配筋率1。0%，並不少於6Φ14，構造邊緣構件底部加強部位豎向鋼筋最小量為0。6%，並不少於6Φ12。構造邊緣構件配筋比約束邊緣構件配筋減少40%以上。《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3-2010》第7。2。14條規定“一、二、三級剪力牆底層牆肢底截面的軸壓比大於表7。2。14的規定值時，應在底部加強部位及相鄰的上一層設定約束邊緣構件”。反之，如果剪力牆底層牆肢底截面的軸壓比小於表7。2。14的規定值，則在底部加強區的牆體可不設約束邊緣構件，而代之以配筋更少的構造邊緣構件。
如何使牆肢軸壓比小於表7。2。14的規定值的規定值呢？由軸壓比計算公式μN=N/fcA，可知三種減小軸壓比的方式：
（1）計算採用荷載不要盲目加大；
（2）剪力牆採用的混凝土強度等級可適當加大；
（3）增加牆體截面面積。
混凝土價格會隨其強度等級的增加而增加，但增加的幅度並不大，所以提高混凝土強度等級，使牆體軸壓比降至規定範圍之內，是降低牆體邊緣構件配筋的重要手段。增加牆體截面面積主要是指增加牆體長度。增加牆體厚度會佔用有效使用面積，一般不採用。增加牆體長度後，牆體增加的分佈鋼筋與梁減少的鋼筋和減少的填充牆砌築基本可以互抵，而約束邊緣構件則可由構造邊緣構件取代，邊緣構件縱筋也可由計算值控制降為構造控制，此方式仍可產生可觀的經濟效益。
1#、2#、3#樓底部加強區為首、二層，約束邊緣構件按規範要求上下各沿一層。若不研究控制軸壓比，則地下室至三層需配置大量約束邊緣構件，使本專案鋼筋量增加。針對此問題採取以下措施：荷載按實際情況（專案之初根據實際情況制定荷載技術措施）取值，不得隨意增加；在底部加強部位混凝土強度等級加至C35；將軸壓比較大的剪力牆牆肢加長，使軸壓比小於0。3。在結構調模型計算過程中，隨時關注軸壓比變化，使之小於設約束邊緣構件限值要求。最終本專案加強區除極個別窗間牆處需設約束邊緣構件外，大部分牆肢僅設構造邊緣構件即可滿足要求。
3.
減少邊緣構件面積佔比
如前文所述，減少牆體邊緣構件配筋是最佳化牆體配筋的關鍵，除了上述使約束邊緣構件變為構造邊緣構件的方法，還可以從另一方面入手，即想辦法減少邊緣構件的面積。《抗震設計規範GB50011-2010》圖6。4。5-1和圖6。4。5-2條分別給出約束邊緣構件和構造邊緣構件的配筋範圍，各四種情況。但這四種情況乃最基本、應用最多的四種情況，實際工程由於建築方案的多樣性，特別是建築立面的凹凸，邊緣構件的形狀遠非這四種最基本情況能涵蓋。牆體邊緣構件在工程中就很常見。很明顯，這種牆體被邊緣構件佔去很大面積，而邊緣構件又不得不按規範配置大量構造鋼筋，實際按計算地震時又不需要那麼多鋼筋。若想盡量避免這種情況，首先在建築方案階段結構工程師最好能介入提出最佳化的意見，避免過多凹凸的立面造型及開間交錯複雜的平面設計。
多、高層住宅通常均需設定電梯，由於安裝要求及為了減少電梯執行噪音對住戶的影響，電梯井四周牆體均應採用鋼筋混凝土剪力牆。但當電梯井並排放置時，電梯井間的分隔牆兩側均無板，其承擔的荷載僅為自重，設定此牆對增加結構安全性並無太大意義，而且因為牆肢短，邊緣構件佔比較大，因此，結構設計時電梯井之間的分隔牆可不設定。兩電梯間可設定一定數量的後澆圈樑或型鋼滿足電梯導軌安裝需要。
4.
儘量避免短肢剪力牆
《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3-2010》第7。1。8條給出了短肢剪力牆的定義“短肢剪力牆是指截面厚度不大於300、各肢截面高度與厚度之比的最大值大於4但不大於8的剪力牆”。《高層建築混凝土結構技術規程JGJ3-2010》第7。2。2條規定：“短肢剪力牆的全部豎向鋼筋的配筋率，底部加強部位一、二級不宜小於1。2%，三、四級不宜小於1。0%；其他部位一、二級不宜小於1。0%，三、四級不宜小於0。8%”，此配筋率遠大於普通長肢剪力牆分佈筋0。25%（《高規》第7。2。17條）的規定，以上規定對比第7。2。15條、第7。2。16條對邊緣構件縱筋規定可以發現，短肢剪力牆整個牆肢的縱筋配筋率甚至不小於普通牆肢對邊緣構件縱筋配筋率的要求。綜合考慮牆肢全長範圍內的分佈筋與邊緣構件配筋總量，短肢剪力牆配筋率比普通剪力牆配筋率大40%以上。因此，在佈置剪力牆時應儘量避免形成短肢剪力牆，牆肢有條件加長時應至少加長至多於短肢剪力牆50mm，沒有條件加長時可以考慮不設此段牆肢，採用梁連線。
混凝土強度等級的選擇
為控制剪力牆軸壓比，高層建築底部採用較高強度等級混凝土，向上強度等級逐漸降低，頂部一般強度等級降至C30。剪力牆混凝土強度等級宜控制不超過C40，因為高強度混凝土不易養護。一般情況下，不要因為位移不夠採用超過C40的牆體混凝土，更不要因為連梁不夠而採用超過C40的混凝土，C60混凝土的彈性模量只比C40提高10%左右，對減小整體位移的貢獻有限。
樓板和梁採用同一強度等級混凝土，地下室梁板因耐久性要求應採用C30混凝土，地上各層梁板採用C30或C25混凝土。住宅建築一般板塊較小，樓板多為構造配筋，採用更高強度等級混凝土不但容易開裂，且會增加樓板的最小配筋率，造成浪費。
地下室外牆一般長度較大且對混凝土強度的要求不高，一般採用C30混凝土即可，採用高等級混凝土因養護不到位更容易開裂。
牆厚、牆體鋼筋的最佳化
剪力牆結構住宅因為本身結構體系的特點，剛度一般均能滿足規範的要求，甚至通常在低烈度區，反應整體剛度的樓層位移角可遠小於規範限值要求。在這種情況下，牆體厚度不應取太厚，一般滿足規範最小值要求即可，如在抗震設防烈度8度區，底部加強部位牆厚200mm，底部加強部位以上160mm，一般均可滿足要求。
牆體厚度取的過厚不但浪費了材料、佔用了寶貴的有效使用面積，而且可能使建築變得更不安全了。這是因為過厚的牆體導致建築剛度變的更大、建築自重變的更大，從而吸收更多的地震力影響結構安全；另外，增加的自重也會提高基礎的造價，甚或使基礎方案由便宜的天然地基變成費用更高的複合地基或樁基礎。
剪力牆牆體鋼筋均應採用強度等級HRB400及以上高強度鋼筋以降低用鋼量。從現澆剪力牆結構在歷次震害中表現來看，並未見由牆體少筋而產生的破壞報告，牆體鋼筋均不需要增配來提高建築的安全度，牆體暗柱鋼筋和分佈鋼筋只要滿足計算及構造最低要求即可。相反，牆體暗柱過多的配筋可能會給混凝土的澆築帶來困難，影響澆築質量；梁鋼筋與大量暗柱鋼筋相互衝突，增加施工難度進而影響施工質量。
在進行結構計算時，有時會出現暗柱超筋現象，此時採用增加牆體豎向配筋率的方式可能會消除超筋。但牆體豎向分佈筋離截面中和軸較近（相對邊緣構件縱筋），對緩解牆體抗彎超筋效率較低，即增加了整面牆的豎向配筋率但效果有限，所以儘量採用調整牆體佈置的方法而不是採用這種方法消除超筋。
梁鋼筋的最佳化
本專案在審圖工程中發現了一些不最佳化、不合理的梁配筋情況， 1#樓中梁配筋一典型案例。
KL15為一兩跨梁，兩端支座為梁，中間支座為牆。兩端支座為鉸接，中間支座為剪力牆，但梁在剪力牆平面外，此梁應判定為一連續的次梁，而非框架樑。次梁箍筋可採用直徑可採用更小的Φ6，且無需配置加密區。次梁縱筋採用非抗震錨固長度，上鐵錨固長度0。35lab（直錨段）+15d，下鐵錨固長度12d，兩端支座僅160mm寬，經計算直徑超過Φ12縱筋均不能滿足錨固長度要求。遂上鐵鋼筋採用Φ12架立筋，在中間支座處與支座負筋搭接，下鐵鋼筋採用3Φ12。此梁經修改後配筋，既滿足了支座錨固長度等構造要求，又節省了鋼筋。
結
束
語
影響剪力牆結構住宅經濟指標的因素有很多，包括抗震設防烈度、當地風壓、地質情況等自然因素，建築高度、高寬比、立面、平面佈局、開間大小、層高、面層厚度等建築方案因素，還有就是結構設計人員設計水平和責任心的因素。這些因素導致最終的結構經濟指標有一定的離散型。但結構人員必須精心設計，儘可能達到現有條件下的最最佳化。某地塊住宅專案建設方根據本專案特點，提出地上部分45kg/㎡的限額設計指標。專案設計過程中按本文設計思想貫徹執行，設計完成後經初步預算地上部分鋼筋量控制在42kg/㎡，達到較好的經濟效果。