剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

吳 俊

（武漢袁培煌建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所，湖北 武漢 430062）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑設(shè)計(jì)的多樣化，建筑結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，越來越多的高層建筑工程、高層建筑結(jié)構(gòu)中，由于大尺寸施工技術(shù)要求相對(duì)較高，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的在整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，不同的結(jié)構(gòu)方案的選擇，直接關(guān)系到建筑平面布局、立面形狀，施工技術(shù)要求及投資成本。因此，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)方案進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化和改進(jìn)，合理選擇優(yōu)化思路和方案。

1 剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

高層建筑抗震設(shè)計(jì)中，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和地震作用時(shí)的地震地面運(yùn)動(dòng)的不確定性，材料特性和結(jié)構(gòu)差異和其他不可預(yù)見的因素，導(dǎo)致高層結(jié)構(gòu)計(jì)算分析的簡(jiǎn)化模型(軟件)可能與實(shí)際效果有一定的差距，因此，在設(shè)計(jì)，雖然計(jì)算分析是不可避免的，也是設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，但這往往不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、可靠的要求，還必須十分重視概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是基于大量的事故分析、多年來國(guó)內(nèi)外地震破壞分析、定量和定性分析的仿真實(shí)驗(yàn)，以及分析、歸納和總結(jié)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)。這些原則、規(guī)則和方法往往是根本性的、整體性的、全球性的和關(guān)鍵性的。概念設(shè)計(jì)要求建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)注意規(guī)則和條例的規(guī)定有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師不能簡(jiǎn)單地由軟件計(jì)算陷阱，如果嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu)，總體性能差，只根據(jù)軟件設(shè)計(jì)，難以保證結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，從宏觀調(diào)控方案、結(jié)構(gòu)加固措施等方面，了解結(jié)構(gòu)損傷的機(jī)理和過程，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)，提高結(jié)構(gòu)整體性能。地震破壞是指簡(jiǎn)單對(duì)稱的建筑物在地震中受到破壞的可能性較小，地震反應(yīng)容易估計(jì)。因此，合理的建筑物形狀、布置和抗震結(jié)構(gòu)措施在抗震設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。

2 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循的原則

2.1 堅(jiān)持誠(chéng)信原則

高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從整體的角度考慮剪力墻的具體位置和高度。一般來說，剪力墻垂直高度的設(shè)計(jì)應(yīng)使其高于或等于建筑的總高度，如果發(fā)生了變化在縱向方向的剪力墻，對(duì)剪力墻厚度和類型的需要，混凝土等級(jí)等等各個(gè)方面的調(diào)整，這樣你可以合理地減少墻肢，改善整個(gè)墻的橫向強(qiáng)度，避免因應(yīng)力集中問題引起的樓板剛度變化。

2.2 控制了剪力墻的外彎矩

在高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有效控制剪力墻的外彎矩是十分必要的，因?yàn)榭刂萍袅Φ耐鈴澗乜梢蕴岣呓ㄖw結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保證。在控制剪力墻外彎矩時(shí)，可以通過增加壁柱和豎向墻肢來控制。同時(shí)，對(duì)于截面面積較小的樓板梁，可以采用鉸接或半剛性連接的方法來控制墻肢的外彎矩。

2.3 短剪力墻結(jié)構(gòu)不能完全采用

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)合理采用短剪力墻結(jié)構(gòu)。由于這種結(jié)構(gòu)不能很好地抵抗水平壓力，不適合高層建筑的設(shè)計(jì)。如果需要大量這樣的結(jié)構(gòu)，則需要更多的圓柱體來提高剪力墻的整體剛度。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程分析

3.1 優(yōu)化基本設(shè)計(jì)方案

基礎(chǔ)方案在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)基本方案時(shí)，尤其要對(duì)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行預(yù)防和處理，進(jìn)行全面的調(diào)查、分析和研究。在基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)過程中，需要調(diào)查的項(xiàng)目較多，其中主要調(diào)查的項(xiàng)目包括施工區(qū)域的水文條件和地質(zhì)條件。同時(shí)，應(yīng)規(guī)范科學(xué)合理的設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)工程施工前后的布置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，以便設(shè)計(jì)出具有較高可行性、安全性的基本方案。

3.2 合理配置剪力墻加筋暗柱

現(xiàn)階段，我國(guó)應(yīng)根據(jù)國(guó)家相關(guān)法律和行業(yè)相關(guān)規(guī)定，合理設(shè)置一級(jí)剪力墻、二級(jí)剪力墻和三級(jí)剪力墻的加固部位，設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的暗柱和端柱。該措施不僅可以進(jìn)一步提高當(dāng)今社會(huì)對(duì)建筑抗震性能的要求，而且可以有效提高建筑在施工過程中的安全性和穩(wěn)定性。此外，設(shè)置合理的黑暗中剪力墻邊緣構(gòu)件，如列，列可以有效地減少地震的地震波能量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)邊緣的影響，由于其成分有較強(qiáng)的抗拉能力，所以也將進(jìn)一步加強(qiáng)其他適當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，提高整體建筑物的抗震性能。

3.3 科學(xué)控制剪力墻的數(shù)量

剪力墻在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，它的主要目的是建立能更好地承受風(fēng)荷載和地震水平荷載的過程，但根據(jù)長(zhǎng)期施工經(jīng)驗(yàn)，建立了太多的建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻，效果不是很好，所以要控制建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)。在施工過程中，為了有效減輕建筑結(jié)構(gòu)的重量，有效提高其抗震效果，應(yīng)盡可能控制剪力墻的數(shù)量。一般情況下，剪力墻在施工期間，其布置原則是對(duì)稱均勻的，其數(shù)量根據(jù)施工的總體情況而定，數(shù)量合適?；谏鲜鼋Y(jié)果，多目標(biāo)算法和結(jié)構(gòu)和組件控制指數(shù)腳本嵌入到優(yōu)化平臺(tái)，多目標(biāo)優(yōu)化，約束條件和設(shè)計(jì)變量集。經(jīng)過幾次迭代的優(yōu)化算法，優(yōu)化結(jié)果替換回配筋計(jì)算和比較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件，并將相關(guān)優(yōu)化結(jié)果作為最終的剪力墻構(gòu)型。該方法實(shí)際上屬于一定約束下的結(jié)構(gòu)擬拓?fù)鋬?yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城市人口密度不斷增加，而新土地的日益短缺，高層建筑的發(fā)展已成為歷史的必然和時(shí)代的趨勢(shì)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高層建筑80%為住宅建筑，其中鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)所占比例在90%以上。因此，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化，如剪力墻的數(shù)量、布置和大小的優(yōu)化工作，即剪力墻布置多少，以及在什么位置上最大限度地發(fā)揮剪力墻的作用，這些都應(yīng)作為當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)。數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案成本一般比傳統(tǒng)的[2]設(shè)計(jì)方案低5% ～30%。因此，研究高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使資源更加合理優(yōu)化配置，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。