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

趙忠營(yíng)

摘 要：剪力墻結(jié)構(gòu)是民用高層住宅的主要形式，它具有剛度大，整體性好，用鋼量較省的特點(diǎn)。本文從剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)理論等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析，對(duì)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化有很好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：剪力墻；高層剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 概述

我國(guó)高層住宅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，在高層建筑的整個(gè)建造環(huán)節(jié)，建筑結(jié)構(gòu)部分在整個(gè)建筑中的比重最大，約占整個(gè)工程造價(jià)的60%，合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)將會(huì)降低工程造價(jià)。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)是用鋼筋混凝土墻來(lái)代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，能承擔(dān)各類(lèi)荷載引起的內(nèi)力，并能有效控制結(jié)構(gòu)的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來(lái)承受豎向和水平力的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為剪力墻結(jié)構(gòu)，以便與一般承受垂直載荷的墻體相區(qū)別。

剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點(diǎn)是整體性好，側(cè)向剛度很大，變形小，既承重又圍護(hù)，水平力作用下側(cè)移小，并且由于沒(méi)有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置。缺點(diǎn)是剪力墻的間距一般為3～8m，使建筑平面布置和使用要求受到一定限制，不能提供大空間房屋，結(jié)構(gòu)延性較差。

剪力墻結(jié)構(gòu)中墻與樓板組成受力體系，缺點(diǎn)是剪力墻不能拆除或破壞，不利于形成大空間住戶(hù)無(wú)法對(duì)室內(nèi)布局自行改造。

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它采用寬度（肢厚比）較小的剪力墻，住戶(hù)可以一定范圍內(nèi)改造室內(nèi)布局，增加了靈活性，但這是以整個(gè)結(jié)構(gòu)受力性能的降低為代價(jià)的（雖然有試驗(yàn)和研究表明這種降低幅度較?。?。

目前，純剪力墻結(jié)構(gòu)造價(jià)高，施工困難，耗鋼量極大，所以往往因?yàn)榻ㄔO(shè)單位的制約，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)于成本而不得不降低標(biāo)準(zhǔn)。

3 剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

高層剪力墻結(jié)構(gòu)底部的底層剛度與上部剛度之間的差距過(guò)大，一旦發(fā)生地震，會(huì)引起底部出現(xiàn)突出的弾塑性集中變形，造成剪力墻結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。一次要嚴(yán)格控制剪力墻結(jié)構(gòu)的底部剛度與上部剛度之比，根據(jù)對(duì)抗震的要求，合理設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)，保證經(jīng)濟(jì)性。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻適合沿主軸方向或其他方向雙向布置，形成空間結(jié)構(gòu)。對(duì)于20層以下的高層住宅，采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻體系是在傳統(tǒng)剪力墻體系通過(guò)開(kāi)設(shè)一定數(shù)量的結(jié)構(gòu)洞而形成的。這種結(jié)構(gòu)保持了較好的抗震性能。對(duì)于一些連梁，由于斷面較大，需要加大短肢墻與連梁的線(xiàn)剛度比，同時(shí)增大連梁的跨高比，避免連梁發(fā)生剪力破壞。20層以上的高層住宅，傳統(tǒng)的全現(xiàn)澆剪力墻是最好的選擇。由于20層以上的建筑中，如果仍采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)較柔，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移不一定滿(mǎn)足規(guī)范要求，底部剪力系數(shù)也變低等問(wèn)題，結(jié)構(gòu)不安全。有時(shí)，采用全剪力墻體系通過(guò)將較長(zhǎng)的墻肢開(kāi)設(shè)結(jié)構(gòu)洞或?qū)⒋芭_(tái)改為其他砌體等措施來(lái)解決結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算值偏大的問(wèn)題。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法

目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法主要有數(shù)學(xué)規(guī)劃法、準(zhǔn)則法等。數(shù)學(xué)規(guī)劃法：把結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為數(shù)學(xué)規(guī)劃的一個(gè)命題，使設(shè)計(jì)適應(yīng)多種工況下各種評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案好壞的目標(biāo)函數(shù)，包括強(qiáng)度，剛度，穩(wěn)定，溫度，動(dòng)力等方面，各種不同的約束條件，只要這些目標(biāo)函數(shù)與約束條件能夠用設(shè)計(jì)變量函數(shù)的方式來(lái)表示。準(zhǔn)則法：從結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理出發(fā)，建立一些可以處理應(yīng)力、位移、頻率和臨界力等約束的最優(yōu)法則。由于它能適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)的特性，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，其結(jié)果至少是對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)，并且，在一般情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)重分析次數(shù)至多十次左右，不隨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，以及設(shè)計(jì)變量的增加而增加，在大尺度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到較好的應(yīng)用。

準(zhǔn)則法

4.1滿(mǎn)應(yīng)力法

滿(mǎn)應(yīng)力方法是直觀準(zhǔn)則法的一種，建立在直觀的物理概念基礎(chǔ)上。是最早發(fā)展的一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。所謂滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)，就是在當(dāng)結(jié)構(gòu)在幾種載荷情況作用下，使每一元件至少在幾種載荷情況作用下，使每一元件至少在一個(gè)載荷作用下，共應(yīng)力達(dá)到許用值的設(shè)計(jì)，由此希望達(dá)到結(jié)構(gòu)重量最輕的目的。

應(yīng)力比法是滿(mǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則法中最基本的一種迭代方法，也是最簡(jiǎn)單的。這種方法的具體步驟：首先估算出結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)方案， 假定設(shè)計(jì)變量是桿件的截面面積，根據(jù)力學(xué)方法計(jì)算出各工況下的最大應(yīng)力，將這個(gè)最大應(yīng)力與材料的容許應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比得到應(yīng)力比。不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行迭代計(jì)算，直到前后兩次計(jì)算的截面面積接近為止。

4.2齒行法

齒行法是在比例滿(mǎn)應(yīng)力法中增加一種射線(xiàn)步，即從坐標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)，進(jìn)過(guò)比例滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)點(diǎn)，再沿此射線(xiàn)方向回到約束曲線(xiàn)。這樣整個(gè)走法的圖形類(lèi)似干鋸齒形，所以稱(chēng)為齒行法。從形式上看，實(shí)行射線(xiàn)步只是對(duì)比例滿(mǎn)應(yīng)力法的一種修正，實(shí)際上射線(xiàn)步已經(jīng)改變了準(zhǔn)則法的性質(zhì)，并且十分接近于最速下降法沿目標(biāo)函數(shù)等值面的負(fù)梯度移動(dòng)的方向。雖然齒行法可以避免收斂到非最優(yōu)點(diǎn)，但是若通過(guò)有比例滿(mǎn)應(yīng)力步的歩距較大的情況，在迭代過(guò)程中，很可能會(huì)把真正的最優(yōu)解漏掉，而使所求解遠(yuǎn)離最優(yōu)解，所以，應(yīng)考慮在齒行法的迭代過(guò)程中，縮短比例滿(mǎn)應(yīng)力步的步長(zhǎng)，使相鄰的兩射線(xiàn)步設(shè)計(jì)點(diǎn)之間盡可能靠近一些，從而提高最優(yōu)解的精確度。

結(jié)語(yǔ)

在高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，剪力墻數(shù)量不能過(guò)多，也不能過(guò)少。要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論，合理地設(shè)計(jì)剪力墻，既保證結(jié)構(gòu)剛度和重量又合理控制成本，使結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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