高层住宅剪力墙优化设计研究

【摘 要】近年来，剪力墙结构建筑由于具有空间整体性好、抗震性能好等优点而被广泛应用于高层住宅中，但高层剪力墙结构住宅有投资大、施工周期长的缺点,所以对高层剪力墙住宅进行优化设计具有重要意义。优化设计是根据设计准则在可行域内用优化方法去搜索所有的设计方案,并在这些设计方案中找到最优设计方案。剪力墙结构优化在保证其安全性的前提下最合理的利用材料的性能，经过优化后能够使结构受力更加合理。

【关键词】高层住宅;优化设计;剪力墙

THE OPTIMAL DESIGN RESEARCH OF SHEARWALL STRUCTURE FOR HIGH-RISE RESIDENTIAL BUILDING

ABSTRACT

The shear wall structure building has been widely applied in high-rise residential buildings in recent years because of its advantages of good spatial integrity and good seismic performance. But it also requires large investment and long construction period, so the optimized design of the sheer wall structure is necessary. Based on the design principles, the optimization design method weighs all the options in the feasible region optimization and finds the best design. The optimized design of the sheer wall structure can guarantee the building’s security under the premise of rational use of the material, making the design more reasonable and economic.

Keywords:

The high-rise residential buildingOptimization design Shear wall structure

中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：

1.引言

改革开放以来，随着我国经济的不断发展、人口数量的急剧增加以及商业竞争的日益激烈化，促使高层建筑在我国出现并迅速得到发展。高层建筑一般定义为超过一定层数或高度的建筑，不同的国家对于高层建筑的定义并不一定相同，例如：在我国，将10层及10层以上或房屋高度超过28m的住宅建筑，及房屋高度大于24m的其他高层民用建筑称为高层建筑；在美国，24.6m或7层以上称为高层建筑，而在日本和英国的高层建筑分别定义为高于31m、24.3m的建筑。高层住宅的结构体系主要分为框架结构体系、剪力墙结构体系和框架-剪力墙结构体系等。由于框架结构的侧向刚度差、抵抗水平载荷的能力较低，而底部层间的位移大容易引起非结构性破坏，因此抗震能力不强。而剪力墙的抗侧力强度和刚度均很大，根据多次地震灾害的事实证明，在高层建筑中，剪力墙的数量越多，地震对其造成的损害越小。

剪力墙主要是用来承受水平载荷，按结构材料一般可分为钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙、型钢混凝土剪力墙和配筋砌块剪力墙，其中钢筋混凝土剪力墙最为常用。虽然，剪力墙可以提高建筑的抗震性能，但是剪力墙的数量过多不仅会造成经济上的浪费而且随着剪力墙的增多，建筑的结构刚度也会增大，从而减小了结构振动周期，加大了地震对其的破坏作用。由此可见，对剪力墙的优化设计非常必要。做好剪力墙结构的优化设计可使结构受力更加合理，同时可以大大降低造价，一般情况下，经过优化设计可以节约造价的5%~30%。

2.剪力墙结构设计理论和方法

按墙上洞口的大小、多少和排列方式，剪力墙一般可分为一般剪力墙结构、短肢剪力墙结构、整体墙和联肢墙等。

2.1一般剪力墙结构

一般剪力墙是指墙肢的截面高度与厚度之比大于8的剪力墙，其结构刚度比大、强度比高，并且具有一定的延展性。从抗震方面来看，将剪力墙和中部筒体相结合可形成抗侧力很强的体系，而短肢剪力墙会导致结构偏柔，使得其层间位移和顶点位移可能不能达到规范要求，同时结构底部的剪力系数也偏低，整体结构趋于不安全。清华大学方鄂华教授通过对钢筋混凝土剪力墙施加反复载荷来模拟地震发生时剪力墙结构的受力情况，对其抗震性能进行了研究。实验结果表明：剪力墙的开洞大小影响了剪力墙整体的性能，当开洞较小时，其表现出较高的整体性能，可以按照全截面抗弯来计算剪力墙截面弯曲破坏极限承载力；连梁屈服可使开洞剪力墙具有较好的抗震性，而剪力墙刚度则会因连梁的剪切破坏大大降低，因此整个体系的极限变形和耗能能力得到改善。根据国内外学者的实验结果可以看出，轴压比、剪跨比、混凝土强度、墙肢配筋构造和边缘构件的设置等因素对剪力墙的抗震性能有很大的影响。

2.2 短肢剪力墙

墙肢的长度为宽度的5-8倍的剪力墙结构称为短肢剪力墙，而且截面厚度不应小于200mm，常用的有T字型、L型、十字型、Z字型等。短肢剪力墙结构结合建筑面积，利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本上不与建筑使用功能发生矛盾。短肢剪力墙主要分布在房间的阳角、阴角和分隔墙的交点上，对它的设计计算与普通剪力墙结构相同，可采用三维杆-系薄壁柱空间分析方法或空间杆-墙组元分析方法。

在短肢剪力墙结构的设计过程中要注意以下几点:

(1)短肢剪力墙结构的抗侧刚度比普通剪力墙结构相对较小，设计时应布置适当数量的长墙，以避免设防烈度下结构产生大的变形。

(2)建筑平面外边缘角部处的墙肢是短肢剪力墙结构的薄弱部位，当有扭转效应时，会加剧已有的翘曲变形，导致墙肢首先开裂。通过减小轴压比、增大纵筋和箍筋的配筋率可以加强短肢剪力墙结构的抗震性能。

(3)当有水平力作用时，短肢剪力墙结构会出现整体弯曲变形。在结构设计时，应加大厚度和配筋量，从而加强小墙肢的延性抗震性能。

(4)短肢剪力墙各墙肢分布要尽量均匀，使其刚度中心与建筑物的形心接近。

3.剪力墙优化设计

3.1 剪力墙结构优化设计原则

剪力墙之所以能够在高层住宅中得到广泛的应用，主要因素是其具有较大的刚度和强度，具有很好的抗震作用，而其平面外刚度和承载能力很小，因此在对剪力墙结构优化设计时应注意将结构层间位移角保持在合适的范围内。目前，剪力墙的优化设计一般是寻求结构的最优刚度。虽然刚度越大地震对钢筋混凝土结构的破坏性越小，但并非刚度越大越好。从结构的功能需求和有限的设计条件的方面考虑，在剪力墙结构优化设计过程中应遵循以下原则：

(1)经过优化的结构具有一定的抗震抗风的能力，并且使得剪力墙的抗侧刚度抵抗水平载荷的性能得到充分的发挥。

(2)设计过程中，应考虑结构布置和截面设计的合理性，利用材料的力学性能使优化后的结构受力更加合理。

(3)降低工程的造价。

3.2 剪力墙抗侧刚度优化设计数学模型

在高层住宅结构体系中，如果在竖直方向上其刚度和质量分布较均匀，那么水平载荷的作用可看作呈倒三角状分布，此时剪力墙的固有频率可以用下式计算：

式中：

计算固有周期的假象结构顶点的水平位移，单位m；

考虑填充墙影响的折减系数，一般取0.8；

总重力载荷；

有效抗侧刚度。

3.3 剪力墙厚度优化设计

运用ansys软件对剪力墙的厚度进行优化设计。利用壳单元SHELL63和梁单元BEAM4建立了剪力墙结构的模型，如图1所示。同时，利用软件强大的模态分析功能采用30阶模态，得到了模型的30阶自振频率，从而对剪力墙的固有频率与振型进行了优化设计，优化后的各阶频率均小于优化前，这就使得整个结构变的“更柔”而且降低了工程的成本。在墙体厚度的优化设计中，设计变量为剪力墙厚度，约束条件为最大层间位移角，目标函数为混凝土用量。优化后的墙体厚度从0.25m减小到0.214m，混凝土的用量也从2544m3降到了2181m3。

图1 剪力墙结构模型

3.4 剪力墙位置的优化

剪力墙位置分布的设计过程中，剪力墙应双向布置，其方向可沿主轴方向或其他方向，这样可以使结构具有良好的空间工作性能，而且容易实现两个受力方向的抗侧刚度接近。剪力墙不仅要均匀布置，而且数量要适当。剪力墙的数量太少，结构的抗侧刚度则不能满足设计要求，但配置过多，墙体又不能得到充分的利用，导致结构抗侧刚度过大，从而加大地震力和自重，也不能很好的满足要求。在设计剪力墙肢截面时，要做到简单、规则、竖直刚度均匀。抗震设计时，剪力墙底部加强部位不应采用错洞墙和叠合错洞墙，避免设置使墙肢刚度相差悬殊的洞口。除此之外，剪力墙应采用从上到下的连续布置方式，避免墙体的刚度突变，而且应对剪力墙平面外的弯矩进行控制，保证其平面外的稳定性。

4.结束语

一般情况下，结构的优化应按照以结构功能优化-结构选型优化-结构设防载荷决策-最优设防载荷下达到最小造价的步骤进行。对于剪力墙结构的优化需考虑的因素较多，例如建筑高度、设防烈度、场地类别以及楼层刚度等。合理的优化剪力墙的结构，不仅能够增大抗侧刚度，提高高层住宅的抗震性能，而且能够有效的降低建筑成本，对于建设行业的发展具有很重要的意义。