高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

周春雷

（鄭州市建筑設(shè)計院， 河南 鄭州 450052）

高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討

周春雷

（鄭州市建筑設(shè)計院， 河南 鄭州 450052）

剪力墻結(jié)構(gòu)具有整體性好，抗側(cè)剛度大，水平荷載作用下側(cè)移小，承載力容易滿足，墻面平整等優(yōu)點被普遍應(yīng)用。本文主要從剪力墻布置的位置，剪力墻墻肢長度，連梁等這幾方面對高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念設(shè)計進行探討，從而給高層建筑的優(yōu)化做出一些理論上的指導(dǎo)。

剪力墻；連梁；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

隨著金融經(jīng)濟和科學技術(shù)的快速發(fā)展與增進，我國人口數(shù)量增加之飛速，為了節(jié)約耕地，高層建筑特別是高層住宅受到了大范圍的應(yīng)用與推廣，它的發(fā)展在近些幾年也是相當飛速，結(jié)構(gòu)體系也日益多樣化。高層建筑有利于節(jié)省和集約化的利用土地資源，解決城市房屋緊張，減少市政基礎(chǔ)設(shè)施和美化城市空間環(huán)境，換句話說，高層建筑的發(fā)展開創(chuàng)了整個建筑業(yè)的新紀元[1]。

高層居住建筑（包括住宅、公寓、飯店）通常要求在合理的占地范圍內(nèi)爭取更多的建筑使用面積，尤其是很多發(fā)展中及發(fā)達城市按規(guī)劃要求約束總高度的情況下，層數(shù)較低而凈空可爭取高一些，而采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)有顯著的優(yōu)越性，可以做到房間內(nèi)不露梁柱，簡潔明快，承重墻與分隔墻結(jié)合，有效使用空間大，隔音效果好。

剪力墻結(jié)構(gòu)具有整體性能好，抗側(cè)剛度大，水平荷載作用下側(cè)移小，承載力容易滿足，墻面平整等優(yōu)點，所以近幾年在非地震區(qū)和地震區(qū)的高層住宅建筑中得到了普遍的應(yīng)用。

日前工程實踐中設(shè)計師的實踐經(jīng)驗決定著大部分剪力墻結(jié)構(gòu)的布置。一個要特別引起我們注意的現(xiàn)象是，出于對結(jié)構(gòu)的安全以及設(shè)計的進度等多方面實際的考慮，設(shè)計師對剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計采取相對安全的結(jié)構(gòu)布置方案，一定會在某種些方面上存在結(jié)構(gòu)的不合理性和不經(jīng)濟性。然而對剪力墻結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計進行相應(yīng)的優(yōu)化分析是十分必要。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展歷史

結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必然地會產(chǎn)生優(yōu)化的想法，從二十世紀初就努力地做過一些優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作，然而當時力學和水平有限而收效不明顯，更重要的因素是沒有前衛(wèi)的科技支持來解決計算工作量大的問題。發(fā)展到六十年代，廣泛地應(yīng)用電子計算機，優(yōu)化工作才開始有所明顯進展，且在結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中應(yīng)用更加廣泛。

什么叫設(shè)計優(yōu)化方法，就是將設(shè)計限制全部作為約束條件通過設(shè)計變量或性能變量的一組不等式表示出來，將最能反映出主要設(shè)計要求的量作為目標函數(shù)（即設(shè)計變量的函數(shù)），用數(shù)學手段求出全部約束條件使目標函數(shù)為最小的設(shè)計變量的一種設(shè)計方法；也可以認為是在各種規(guī)范滿足下或特定要求的某些條件下，研究出結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中遇到問題的解決方法。并能保證結(jié)構(gòu)正常工作的強度、剛度和穩(wěn)定的要求[3]。

3 高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵問題

針對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化研究的核心在于：

1）經(jīng)過對原結(jié)構(gòu)形式的動力特性、變形情況、內(nèi)力特性、構(gòu)造措施等因素通過全方位的考查基礎(chǔ)上，優(yōu)化構(gòu)件的分布位置、混凝土強度等級、剪力墻墻肢長度、墻截面厚度以及連梁的剛度，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的相關(guān)性能進行對比，從而對結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后比較得出此建筑最終結(jié)構(gòu)方案。

2）研究比較通過上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的性能，分析總結(jié)出控制剪力墻結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理方案的因素。

3.1 合理的剪力墻長度對結(jié)構(gòu)的影響

通過建立三種不同墻肢長度的結(jié)構(gòu)對比模型（前提是剪力墻布置的位置一致）：未開洞剪力墻墻肢 H1、開洞剪力墻墻肢 H2、去除洞口將兩片墻進行合并后的剪力墻墻肢H3。將三種模型的計算結(jié)果進行對比分析可得：隨著墻肢長度由H1至H2至H3，在混凝土強度等級，墻厚等都相同的情況下，結(jié)構(gòu)周期和周期比在下降，最大層間位移角也在下降，Y方向的最大層間位移角比X向最大層間位移角下降明顯。

此種因素影響下的結(jié)論就是墻肢的長度越長，其抗側(cè)剛度越優(yōu)，抵抗扭轉(zhuǎn)性能更好，開有洞口的剪力墻的抗側(cè)剛度低于沒有開洞的墻肢的抗側(cè)剛度，高于去除洞口將兩片墻合并情況的抗側(cè)剛度。

在能夠保證垂直和豎向承重的前提下，要仔細選擇對承受水平和豎向荷載有利的位置布置分隔剪力墻，盡量將剪力墻布置的間距拉大，避免在相對較小的間距內(nèi)布置多道剪力墻。一般可以通過延長剪力墻墻肢的長度，減少剪力墻的數(shù)量，從而使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度增加，邊緣構(gòu)件的數(shù)量減少，由于墻間距離拉大。從而增加了建筑平面布置的靈活性。

但要注意，在一個結(jié)構(gòu)單元中，布置剪力墻時應(yīng)該盡量避免使個別墻肢成為長墻。如果個別墻肢較長而其他墻肢較短時，長墻墻肢承擔的總地震力的比例比較大 當該道剪力墻在超過設(shè)防地震的作用下首先發(fā)生破壞時，其余的結(jié)構(gòu)不能起到第二道抗震防線的作用，則可能會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)因個別長墻的破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌。

3.2 連梁的剛度對結(jié)構(gòu)的影響

以剛度大強度高為優(yōu)點的剪力墻結(jié)構(gòu)被普遍應(yīng)用在高層建筑中，在小震作用下具有較大的剛度，在大震作用下以連系梁的首先屈服來降低結(jié)構(gòu)的剛度，從而達到降低地震作用的目的。它很好的滿足了我國新的抗震設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計原則[4]。

連梁剛度的合理判斷及配筋設(shè)計對結(jié)構(gòu)的影響不能忽視，首先連梁應(yīng)與剪力墻取相同的抗震等級，為了實現(xiàn)連梁的強剪弱彎、推遲剪切破壞，提高延性，應(yīng)當采用實際抗彎鋼筋反算設(shè)計剪力的方法；但是為了程序計算方便，對于一、二、三級抗震采用了組合剪力乘以增大系數(shù)的方法確定連梁的剪力設(shè)計值，對于 9度一級抗震等級的連梁，設(shè)計時要求用連梁實際抗彎配筋反算增大系數(shù)[2]。

因此對于高層建筑結(jié)構(gòu)來說，連梁的合理設(shè)計，實現(xiàn)強剪弱彎非常的重要。一般連梁的跨高比都較小，容易出現(xiàn)剪切斜裂縫，為了防止斜裂縫出現(xiàn)后的脆性破壞，除了減小其名義剪應(yīng)力，并加大其箍筋配置，腰筋配置等。當洞口較小，在整體計算中不考慮其影響時，應(yīng)將切斷的分布鋼筋集中在洞口邊緣補足，以保證剪力墻截面的承載力。

隨著高層建筑的的飛速發(fā)展，剪力墻成為高層建筑結(jié)構(gòu)的一種重要形式，大量的工程結(jié)構(gòu)廣泛在運用。就目前來講我們對于剪力墻的優(yōu)化布置大多還停留在工程師的經(jīng)驗上，全面詳細的剪力墻優(yōu)化布置原則和方法還沒有。規(guī)范中也沒有詳細介紹剪力墻的優(yōu)化布置。這方面的理論缺陷在今后的實踐和研究中逐步完善。

[1]賀海斌. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻合理數(shù)量的研究[D].湖南：湖南大學.2009.

[2]中國建筑科學研究院.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[3]張華鋒.淺談高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].北京：建筑結(jié)構(gòu),2009(11).

[4]中國建筑科學研究院.建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

G322

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1007-6344（2017）09-0275-01

周春雷（1985-)，男，鄭州市建筑設(shè)計院，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。