李駿如（重慶銀橋建筑設計有限公司　重慶市　400000）

高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計探析

李駿如
（重慶銀橋建筑設計有限公司重慶市400000）

本文結合高層建筑的的結構設計，論述了高層建筑剪力墻結構的概念設計，提出了剪力墻結構設計和計算的優(yōu)化方法，結合工程實例，分析了剪力墻結構優(yōu)化設計方法的應用。

高層建筑；剪力墻結構；優(yōu)化設計

在經(jīng)濟建設不斷發(fā)展的過程中，人們的生活需求不斷變化，基礎設施建設的規(guī)模逐漸擴大，高層和超高層建筑業(yè)隨之誕生，很大程度上反應出國家建筑科技和經(jīng)濟發(fā)展水平的提高[1]。人口密度不斷增長的過程中，高層建筑成為當今城市建設的主要趨勢，也代表著城市現(xiàn)代化水平。為了提高高層建筑的抗震性和經(jīng)濟性，國內(nèi)眾多學者開展了對剪力墻結構的研究。針對同一建筑，經(jīng)濟指標的差異會由于結構墻體布置的不同而不同，主要影響因素為混凝土用量和鋼材量。

1　高層建筑剪力墻結構的概念設計

高層建筑需要保持較高的穩(wěn)定性，在承受梁內(nèi)所有重力載荷的同時，必須要承受外界風力和地震的影響，避免出現(xiàn)過大的振動和水平位移，保證建筑內(nèi)的裝飾和填充墻等完好無損，為居住者提供舒適安全的環(huán)境。

高層建筑結構同時承受水平和垂直載荷，在低層結構中，水平位置的載荷較小，通常情況下可以忽略不計。在高層結構中，水平位置的載荷和地震都會對建筑造成影響，成為共同的控制因素。在建筑物高度不斷增加的同時，水平載荷的位移也將發(fā)生變化，因此在高層在高層建筑設計的過程中，必須綜合考慮建筑的承載能力和抗側剛度，對水平位置的載荷進行有效控制。在水平力作用下，剪力墻結構會出現(xiàn)側向變形。剪力墻結構在垂直方向上可以承受較大的載荷，在水平方向上也可以承受較大的載荷，整體性較高，側向剛度較大，在水平力作用下，發(fā)生的位移較小，在不采用梁柱等外凸裝置的情況下，提高了房內(nèi)布局的合理性，但是無法提供更大的住宅空間，結構延性存在一定的缺陷。

建筑物的地下室有多層時，需要采用部分框支剪力墻結構，設置科學的過渡層，保證框架-剪力墻結構向剪力墻結構良好過渡。

剪力墻結構在水平方向和垂直方向上承受的載荷均較大，可以廣泛應用于高層建筑，主要應用于以小房間為主的住宅，例如賓館、公寓等。賓館中需要較大的空間時，將其設置在另外的建筑單元中。為了滿足不同方向水平力的要求，針對矩形平面，往往將剪力墻設置在縱橫兩個方向上，針對圓形平面，剪力墻設置在沿徑向位置和環(huán)向位置上，針對三角形平面，剪力墻結構沿三個主軸方向設置[2]。

2　剪力墻結構設計和計算的優(yōu)化方法

2.1結構設計的優(yōu)化

剪力墻結構中的空間結構，一般沿主軸方向形成雙向布置，如果剪力墻有抗震需求，需要保證多個方向的布置，使多個方向上的抗側剛度相同，提高建筑物的空間工作性能。剪力墻具有較高的抗側剛度和承載力，為了充分發(fā)揮剪力墻結構的性能，減輕結構重量，需要結合具體建筑增大剪力墻結構的可利用空間，合理控制墻體的布置密度，保證墻體結構具有良好的側向剛度。

在設計剪力墻墻肢截面的過程中，應秉持一定的規(guī)則，豎向剛度保持均勻，剪力墻結構的門窗洞口上下對其，在垂直方向上成列布置，保證墻肢和連梁的準確性，另外，需要提高應力分布的均勻性，結合設計圖紙，提高設計的安全性和可靠性。在設計過程中，保證墻肢剛度相同，如果剪力墻結構的洞口出現(xiàn)錯?或者疊合的情況，必須將墻內(nèi)配筋設置成框架形式[3]。

如果剪力墻結構的長度較長，必須開設合適的洞口，將剪力墻分割成長度均勻的墻段，利用弱連梁將不同墻段連接起來，為了避免剪力墻結構引發(fā)剪切破壞，不同的獨立墻段的總高度必須為界面高度的2倍以上。在抗震設計過程中，如果小墻肢截面的高度小于墻厚度的4倍，應設置合理的框架柱，并對框架柱的加密區(qū)進行全高加密。

由于剪力墻結構平面內(nèi)具有較大的承載力和剛度，而平面外剛度和承載力較小，因此為了提高剪力墻結構平面外的穩(wěn)定性，必須對剪力墻平面外的彎矩進行控制。如果剪力墻結構和平面外的樓面梁連接時，必須避免梁端彎矩對墻體造成的影響。

由于結構的抗側剛度會受到剪力墻布置方式的影響，因此一般都會將剪力墻自下而上布置，同時在垂直方向山給改變墻體的厚度和混凝土的強度等級，或者可以減少一部分墻肢，減小側向剛度。必須注意到剪力墻結構如果沿垂直位置不連續(xù)，將導致剛度突變，影響建筑結構的抗震效果。

剪力墻設計過程中，先結合實際工程對結構進行分析，符合層間位移、周期比等指標的要求，確定出剪力墻厚度，結合建筑的抗震需求，滿足結構的構造要求。

2.2計算優(yōu)化

在剪力墻結構設計中，重點關注結構設計的合理性，如果剪力墻就結構的剛度較大，將不能滿足層間位移的要求，結合樓層的最小剪力系數(shù)，保證計算結果接近規(guī)定值?？刂坪媒Y構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的自振周期之比符合要求?？紤]地震影響的過程中，高層建筑豎向構件的最大水平位移在樓層平均值的1.2倍以下，同時保證剪力墻連梁和底部加強區(qū)的軸壓比滿足要求。

在調(diào)整樓層最小剪力系數(shù)的過程中，減少剪力墻的布置，保證結構的側向剛度滿足要求，使樓層的最小建立系數(shù)達到規(guī)范限值。減輕結構自重，減小地震的影響，降低工程造價。

在最大層間最大位移和層高之比調(diào)整的過程中，充分考慮樓間的彎曲變形，在高層建筑匯總盡可能將扭轉變形控制在最小，結合層間位移的特點，增強豎向構件的剛度。在實際工程設計中，不可盲目增加豎向構件的剛度，必須注意實際結構的剪重比，如果剪重比較大，必須先減小對應一側的結構剛度，減小地震作用的同時，提高結構的整體效果[4]。

3　應用實例

3.1工程概況

某高層建筑總高度52.6m，共18層，層高2.9m，建筑面積6500m2，基本地震加速度值為0.20g，抗震設防烈度Ⅷ度，基本風壓為0.55kN/m2，采用二級剪力墻結構，混凝土強度等級為C30~ C25，鋼筋梁強度HRB400，鋼筋板強度HPB235。

3.2結構布置

原結構標準層剪力墻結構的布置如圖1所示。

圖1?。▋?yōu)化前）剪力墻結構布置圖

未優(yōu)化前采用純剪力墻結構，墻肢底部加強部位寬度為250mm，底部以上寬度200mm，利用SATWE方法計算后發(fā)現(xiàn)該剪力墻的利用率較低，底層墻肢軸壓比為0.35~0.40之間，將結構位移控制在1.2以內(nèi)，結構周期和位移角較小，整體剛度較強。結合實際工程的特點，對主要的問題進行分析，對剪力墻結構布置進行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后的剪力墻結構如圖2所示。

圖2?。▋?yōu)化后）剪力墻結構布置圖

優(yōu)化前和優(yōu)化后的剪力墻結構對比后可以看出，原結構攻讀較大，層間位移不足，優(yōu)化后的機構剛度適宜，分布也較為均勻，位移角和位移比均有所增加，在結構布置和墻肢長度的調(diào)整過程中，將底層軸壓比控制在0.50以下，使得剪力墻成分發(fā)揮出較高的承載力和剛度，優(yōu)化后的成根本明顯低于優(yōu)化前。

4　結束語

剪力墻結構在高層建筑的應用過程中，設計階段的成本控制影響著后期的施工成本，項目設計一般都存在較大的優(yōu)化空間，在建筑領域應用優(yōu)化設計，不僅可以節(jié)約能源，還可以提高建筑物本身的性能。結構優(yōu)化設計中可以降低成本造價，增大建筑的應用空間，值得在實際工程設計中推廣。

[1]王艷軍.高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計淺析[J].山西建筑，2010，36（5）：73.

[2]黎星才.高層剪力墻結構優(yōu)化設計與經(jīng)濟分析[J].新建設：現(xiàn)代物業(yè)上旬刊，2011，12（8）：200.

[3]林小楊.淺談高層建筑剪力墻結構優(yōu)化設計[J].河南大學，2015，12（3）：74.

[4]石小燕.高層剪力墻結構優(yōu)化設計之探討[J].建筑科學，2012，28（7）：90.

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1673-0038（2015）52-0107-02

2015-12-3

李駿如（1975-），男，工程師，大學本科，主要從事結構設計方面的工作。