高层建筑剪力墙结构优化设计浅析

马兴龙

摘要：当今是节约型社会, 节约能源, 降低资源消耗, 保护环境, 已成为全社会的共识。因此, 优化建筑结构设计, 降低成本, 越发受到业界普遍关注和重视。本文高层建筑结构概念设计的涵义和特点，探讨了加强剪力墙结构优化设计中的有效措施。

关键词：高层建筑剪力墙结构优化设计措施

中图分类号： TU97 文献标识码： A 文章编号：

结构优化指的是结构综合，其过程大致可归纳为：假定—分析—搜索—最优设计四个阶段。其中的搜索过程是修改并优化的过程。它首先判断设计方案是否达到最优（包括满足各种给定的条件），如若不是，则按某种规则进行修改，以求逐步达到预定的最优指标。高层建筑剪力墙的作用不仅是用来承受梁的重力和保持稳定性，并且还要能够抵挡来自自然的各种侵袭，以避免有较大的水平位移和振动，这样可以带给我们一个好的居住环境。因为我国经济的快速发展导致城市的土地愈来愈紧张，城市的低层建筑渐渐被高层建筑所取代，所以高层建筑将成为未来住宅类建筑的主流。而一般的高层建筑大部分选用剪力墙的结构体系，笔者在大量的实践中发现，即使是同一建筑的平面方案，墙体布置的不同也会导致较大的经济差异。由于建设高层建筑的住宅楼所需的建材数量较多，如果设计师不注意提高自己的设计水平会造成很大的浪费。我国的房地产业得到了很好的发展，而其中的不少开发商会有含钢量限制的设计要求。作为一名结构设计者要如何在竞争如此激烈的市场中立足，与此同时还要执行好国家各项的设计规范，保证结构安全，而且在这些条件下还要考虑怎样设计更加经济合理，这些都是值得我们思考的。这就需要我们对结构设计进行优化，而要想做到对结构的优化设计还不能够违反国家的要求，这样就需要我们对规范条文有深刻的认识，理解其精髓，做到灵活地使用。

一、高层建筑结构概念设计

高层建筑结构概念设计主要是建筑工程设计人员通过科学的思维分析和准确的判断力,在高层建筑结构设计前期能够从宏观上决定高层建筑结构设计中的基本问题。通常情况下,高层建筑工程设计人员是不需要进行数值计算,主要是从高层建筑的结构概念出发,根据高层建筑整体结构体系与各个分体系的力学关系、刚度关系,震害以及工程经验等相关因素获取高层建筑结构的设计思路,从而能够在整体上对高层建筑结构进行科学的整体布置。

高层建筑结构概念设计的特点主要包括起决定因素的水平荷载、作为关键控制因素的结构侧移、要求较高的地震设计和结构延性等。高层建筑设计人员在进行高层结构概念设计过程中必须要充分掌握案这些特点,能够帮助高层建筑设计人员顺利的完成高层建筑结构的设计。首先,高层建筑工程设计人员要掌握水平荷载。由于水平荷载对高层建筑结构产生的倾覆力矩和在竖构件中引起的轴力与楼房高度的两次方成正比。并且水平荷载受到风荷载和地震的作用, 导致水平荷载的数值会受到结构动力性的影响。其次高层建筑工程设计人员应该掌握结构侧移, 由于楼房高度不断增加,水平荷载下的结构侧移的变化程度也不断增大,由于结构在水平荷载的作用下会将侧移控制在一定的范围内, 从而能够保证高层建筑具有足够的刚度。第三,高层建筑工程设计人员在抗震设计过程中,要充分考虑的竖向荷载、风荷载以及结构的抗震性能,保证高层建筑结构的抗震能力。第四,对于结构的延性应该在结构进入到塑性变形阶段后仍然具有很强的变现能力,并且避免结构出现倒塌的现象, 应该采取合理的措施应用到结构上,保证结构的延性。

二、加强剪力墙结构优化设计中的有效措施

1、需要对转换层结构设计尤为注重

从高层建筑的要求来看，现代居民希望建筑物所拥有的功能多种多样，考虑到现在大楼具有较强的综合性能，尤其是在使用方面，上部与下部的机构不同。因此，在选择高层建筑物自身的结构布置时，就需要考虑相应的变化，在设计布置当中，需要将转换层的结构设置好。我们需要重视剪力墙结构的设计，考虑到在高位转换的底部大空间当中，其结构相对复杂。因为在进行高位转换时，刚度和质量较大的转换层升高，有效的将其本身与上下的刚度调整到接近的地步是非常必要的，而对于转换层自身而言，其质量与刚度都不适宜较大，在最终时，是否能够确保转换层附近的层间位移角基本达到均匀的情况，就需要在水平作用力的作用之下，进行空间精确分析，检查其均匀情况。采用转换层结构形式时，在选择上，偏向于重量与刚度皆偏小的材料，在实际的计算中，对于参与到了组合的振型数需要多多的进行选择。通过计算，我们能够计算出在结构当中，哪一部分才是最薄弱的，然后再通过内力分配特点的具体研究，改善薄弱部位的设计性能，适当的对于构件的配筋进行相应的调整，从而达到改善薄弱部位性能的目的。

2、对于连梁设计的有效优化

在设计连梁的抗震与非抗震的时候，在高跨比的分类之上，主要是有小于2． 5 和大于2． 5 两种，并且对于截面配筋以及受剪承载力两个方面都有了相应的规范。而可以使用以下两种方式针对塑性调幅:

（1）在进行内力计算之前，就需要拆减连梁的刚度。

（2）在进行内力计算之后，连梁的剪力与弯矩的组合值还需要乘上一个折减系数。但是，我们应当明确的是，无论是选取了哪一种，都需要确定在实际使用阶段当中的剪力与弯矩的设计值，都要小于调整后的值。此外，在设计弯矩时，也必须大于设防烈度低一度的地震组合所得。从而对于正常使用情况之下，亦或是在小型的地震发生之后，对于裂缝进行有效防止，最终达到确保高层建筑物的安全性能。

3、转换层上下部结构优化设计

（1）在转换层的上下刚度的传递放纵，剪力墙布置存在的影响。

如果要能够准确的传递上下两种不同结构形式的内力，首先需要考虑到刚度突变，而对于转换层上下的结构可以通过两种方式将刚度突变的问题加以解决:

a． 将上部的刚度减少，也就是在上部当中，能不设置剪力墙就尽量的避免设置，当满足了轴压比时，确保墙肢尽可能的短。

b． 将下部的刚度进一步的加大，在建筑满足了功能之下，再恰当的布置若干的落地剪力墙在大空间层之内，此外需要避免集中，将剪力墙均匀的分布于其中。

（2）需要合理的选择转换层上下部结构刚度。

如果剪力墙转换层刚度过大，不但会增大地震的反应以及竖向刚度的提高，更会增加材料的使用量，从经济的角度考虑是极为不合理的。如果剪力墙转换层刚度过小，就可能出现沉降差，进而使得明显的次应力在上部结构与水平结构之间出现( 其水平结构是与上部结构相连接的) ，从而增加了配筋量。而表现最为突出的就是在正交主次转换梁结构中对于次梁的转换。在这个时候，不仅需要对于截面尺寸进行合理的选择，也需要考虑到刚度是否满足设计的要求。

三、工程实例

1、工程概况

某高层住宅建筑共18 层，标准层高度为2.9m，建筑总高度为52.5m，总建筑面积约为6500m2。抗震设防烈度8 度，设计基本地震加速度值0.20g，设计地震分组为第二组，基本风压0.55kN/m2，场地类别Ⅱ类，抗震等级：剪力墙二级，混凝土强度等级为C30~C25，钢筋强度等级：梁采用HRB400；板采用HPB235，直径大于12 时用HRB335；墙采用HRB335。

2、结构布置

原结构标准层剪力墙布置见图1，采用纯剪力墙结构，墙肢底部加强部位宽250mm，以上宽200mm。通过分析SATWE计算结果发现该结构设计剪力墙利用率较低，底层墙肢轴压比在0.35~0.40 之间，结构位移比较好，控制在1.2 以内，且结构周期、位移角较小，整体偏刚。针对该工程特点，并分析其存在的主要问题，对其结构布置及墙肢长度进行适当的调整， 以达到优化的目的，调整后剪力墙平面布置见图2。

图1 方案一（优化前）剪力墙布置图

图2 方案二（优化后）剪力墙布置图

参考文献：

[1] 贺杨,张永胜.高层建筑结构优化设计[J]. 山西建筑. 2012(05)

[2] 金海军.基于高层住宅中混凝土剪力墙结构优化设计研究[J]. 价值工程. 2012(02)

[3] 原尊.建筑结构优化设计技术分析[J]. 中国房地产业. 2011(03)

[4] 刘剑.高层建筑剪力墙结构优化设计探讨[J]. 技术与市场. 2011(05)

[5] 胡景云.论剪力墙结构优化设计[J]. 建材世界. 2011(02)