高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

【摘要】隨著高層建筑的迅猛增加，剪力墻結(jié)構(gòu)住宅占高層建筑的比例在70%以上，對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于節(jié)約建設(shè)成本具有重要意義。本文介紹了我國(guó)高層建筑發(fā)展的特點(diǎn)，闡述了高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要意義，指出了當(dāng)前我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中存在的問(wèn)題，給出了高層住宅建筑剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策，以供同行參考。

【關(guān)鍵詞】高層；住宅建筑；剪力墻；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)進(jìn)入城鎮(zhèn)化建設(shè)高速發(fā)展時(shí)代，建筑行業(yè)亦蓬勃發(fā)展，各地高樓拔地而起。高層建筑目前已經(jīng)成為世界上大部分國(guó)家尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家在城市建設(shè)中使用的主要建筑形式。剪力墻結(jié)構(gòu)是利用建筑物墻體作為建筑物的豎向承載體系，并用它抵抗水平力的一種結(jié)構(gòu)體系[1-3]。近年來(lái)剪力墻結(jié)構(gòu)建筑由于具有空間整體性好、抗震性能好、用鋼量較省等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用予高層住宅中[4]。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，在我國(guó)高層住宅建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)住宅占70%以上，而且隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，剪力墻結(jié)構(gòu)住宅會(huì)越來(lái)越多。然而高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅施工周期長(zhǎng)、造價(jià)較高，因此加強(qiáng)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1、我國(guó)高層建筑發(fā)展的特點(diǎn)

高層建筑與其他建筑相比可獲得更多的建筑面積，使城市用地緊張的局面得到部分解決，因此高層建筑在我國(guó)城市的建設(shè)中得到了快速發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)的高層建筑大多是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系分框架、剪力墻、框架-剪力墻三大結(jié)構(gòu)體系。在各類高層住宅的結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)性、抗震性能均比較突出，因而成為高層住宅中最主要的結(jié)構(gòu)形式。剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，用鋼量較省，因此剪力墻結(jié)構(gòu)成為高層住宅中最主要采用的結(jié)構(gòu)形式，被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代高層建筑領(lǐng)域中。

2、高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要意義

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)指的是結(jié)構(gòu)綜合，其目的是在眾多的設(shè)計(jì)方案中選擇一個(gè)最合理的方案，它可以通過(guò)主動(dòng)的搜索從而找到最合理的方案，它的大致過(guò)程為假設(shè)-分析-搜索-最優(yōu)設(shè)計(jì)。然而目前房產(chǎn)開發(fā)規(guī)模大，各設(shè)計(jì)院任務(wù)緊，因此設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)如何有效控制工程成本的關(guān)心度不夠。另外設(shè)計(jì)者出于結(jié)構(gòu)安全、方便設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期等考慮而把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得偏于保守，一定程度上沒(méi)有充分發(fā)揮材料的性能，造成了一定的浪費(fèi)，一定程度上忽略了結(jié)構(gòu)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。據(jù)一些專家學(xué)者通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化的效能，指出建筑工程如果處于一般的情況下如果參與了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要比一般的工程設(shè)計(jì)的總造價(jià)節(jié)約到5%～30%。由此可見，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)建筑行業(yè)的現(xiàn)實(shí)性和重要性。高層剪力墻結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)周期長(zhǎng)，投資較大，隨著房地產(chǎn)調(diào)控的深入及原材料價(jià)格的上漲，從設(shè)計(jì)挖掘潛力、節(jié)約成本已成為企業(yè)盈利的重要手段，優(yōu)化設(shè)計(jì)越來(lái)越多的被各大房地產(chǎn)商所重視。如何在確保結(jié)構(gòu)安全及實(shí)現(xiàn)建筑使用功能的前提下，將有限的結(jié)構(gòu)材料和資源配置到能充分發(fā)揮其作用的關(guān)鍵性部位，在不降低結(jié)構(gòu)安全冗余度的情況下最大限度優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，積極探索更可行的技術(shù)和措施，做到安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理己成為結(jié)構(gòu)工程師必須面對(duì)的問(wèn)題。

3、目前我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化存在的問(wèn)題

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化只重視尺寸的優(yōu)化，即在給定的材料、幾何形狀和拓?fù)涞那闆r下，忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化而只重視單個(gè)構(gòu)件的優(yōu)化，而以取得結(jié)構(gòu)的最優(yōu)截面及配置為優(yōu)化設(shè)計(jì)最終目的。

（2）對(duì)于實(shí)際工程，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化很少能一次成功，如果只進(jìn)行簡(jiǎn)單的優(yōu)化工作，很難使結(jié)果貼合于實(shí)際工程的需要，對(duì)于現(xiàn)實(shí)的工程項(xiàng)目，優(yōu)化設(shè)計(jì)幾乎不能一次就能成功，經(jīng)常需要反復(fù)試算重分析尋求最優(yōu)，這就要求要進(jìn)行結(jié)構(gòu)重分析，結(jié)構(gòu)重分析必然會(huì)造成很多的工作量，這在當(dāng)前這種開發(fā)商狠抓工程進(jìn)度，早日收回投資成本的情況下，很少有開發(fā)商給出設(shè)計(jì)院這么多時(shí)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

4、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

4.1結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

對(duì)于初始設(shè)計(jì)為剪力墻的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)對(duì)方案的論證，結(jié)合建筑形式確定是否可做成框剪結(jié)構(gòu)，或增加少量柱子的剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)更經(jīng)濟(jì)，更合理。

4.2荷載的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)的荷載在確定了使用形式及建筑布局后，荷載基本也就確定，但這里所指荷載的優(yōu)化主要是指結(jié)構(gòu)在計(jì)算模型時(shí)，很多設(shè)計(jì)人員在輸入荷載時(shí)人為的放大的因素，考慮的太多的安全荷載。層層放大致使幾十層的樓最終所增加的荷載也是非常大的，致使配筋截面等的加大，造成結(jié)構(gòu)成本的增加。因此合理準(zhǔn)確的輸入結(jié)構(gòu)荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

4.3剪力墻布置的優(yōu)化

剪力墻結(jié)構(gòu)在布置要遵循“均勻、對(duì)稱、周邊、分散”的原則。一是材盡其用，發(fā)揮各類型剪力墻的特點(diǎn)，把各類型剪力墻布置在最適合的位置，發(fā)揮其最大效能；二是注意多道防線，有合理的屈服機(jī)制。因此剪力墻的布置不宜太密，剪力墻的布置不宜形式多樣，并應(yīng)盡量避免不必要的暗柱設(shè)置。剪力墻應(yīng)盡量拉通對(duì)直，以增加抗震能力。剪力墻結(jié)構(gòu)中全部豎向力和水平力都由剪力墻承受，所以一般應(yīng)沿建筑物的主要軸線雙向布置。特別是在抗震結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式，并宜使兩個(gè)方向抗側(cè)剛度接近，即兩個(gè)方向的自振周期宜相近。

4.4剪力墻截面優(yōu)化

剪力墻厚度在滿足規(guī)范的最低要求情況下可根據(jù)軸壓比等參數(shù)適當(dāng)減薄。剪力墻結(jié)構(gòu)的重量較大，地震作用下的反應(yīng)力也較大，只要保證剪力墻的穩(wěn)定性及施工質(zhì)量，剪力墻的厚度在規(guī)范限定的條件下適當(dāng)減薄。剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對(duì)齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則。

5、結(jié)語(yǔ)

高層剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑規(guī)模、施工工期及投資都比較大，如果能借助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)在滿足規(guī)范要求的前提下，有效的縮減結(jié)構(gòu)的建造成本，這將會(huì)給國(guó)家和社會(huì)創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益，因此加強(qiáng)對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2012）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[3]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2012）[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

[4]陳耀. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析探討[J].福建建材，2011（4）： 36-38.

作者簡(jiǎn)介：陳曉英（1984-）女，湖北漢川人，助理工程師，土木工程專業(yè)，從事工民建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

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