浅论高层住宅剪力墙结构优化设计

赵忠营

摘 要：剪力墙结构是民用高层住宅的主要形式，它具有刚度大，整体性好，用钢量较省的特点。本文从剪力墙结构特点、优化设计、优化设计理论等几个方面进行了分析，对工程设计优化有很好的借鉴作用。

关键词：剪力墙；高层剪力墙结构；优化设计

中图分类号：TU97 文献标识码：A

1 概述

我国高层住宅建筑大多是钢筋混凝土结构，结构体系分框架、剪力墙、框架-剪力墙三大结构体系，在高层建筑的整个建造环节，建筑结构部分在整个建筑中的比重最大，约占整个工程造价的60%，合理优化结构将会降低工程造价。

2 剪力墙结构特点

剪力墙结构是用钢筋混凝土墙来代替框架结构中的梁柱，能承担各类荷载引起的内力，并能有效控制结构的水平力，这种用钢筋混凝土墙板来承受竖向和水平力的结构称为剪力墙结构，以便与一般承受垂直载荷的墙体相区别。

剪力墙承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大。其特点是整体性好，侧向刚度很大，变形小，既承重又围护，水平力作用下侧移小，并且由于没有梁、柱等外露与凸出，便于房间内部布置。缺点是剪力墙的间距一般为3～8m，使建筑平面布置和使用要求受到一定限制，不能提供大空间房屋，结构延性较差。

剪力墙结构中墙与楼板组成受力体系，缺点是剪力墙不能拆除或破坏，不利于形成大空间住户无法对室内布局自行改造。

短肢剪力墙结构应用越来越广泛，它采用宽度（肢厚比）较小的剪力墙，住户可以一定范围内改造室内布局，增加了灵活性，但这是以整个结构受力性能的降低为代价的（虽然有试验和研究表明这种降低幅度较小）。

目前，纯剪力墙结构造价高，施工困难，耗钢量极大，所以往往因为建设单位的制约，结构抗震设计于成本而不得不降低标准。

3 剪力墙优化设计

3.1 抗震优化设计

高层剪力墙结构底部的底层刚度与上部刚度之间的差距过大，一旦发生地震，会引起底部出现突出的弾塑性集中变形，造成剪力墙结构严重破坏。一次要严格控制剪力墙结构的底部刚度与上部刚度之比，根据对抗震的要求，合理设计剪力墙结构，保证经济性。

3.2 结构设计优化

在剪力墙结构中，剪力墙适合沿主轴方向或其他方向双向布置，形成空间结构。对于20层以下的高层住宅，采用短肢剪力墙结构。短肢剪力墙体系是在传统剪力墙体系通过开设一定数量的结构洞而形成的。这种结构保持了较好的抗震性能。对于一些连梁，由于断面较大，需要加大短肢墙与连梁的线刚度比，同时增大连梁的跨高比，避免连梁发生剪力破坏。20层以上的高层住宅，传统的全现浇剪力墙是最好的选择。由于20层以上的建筑中，如果仍采用短肢剪力墙结构，会出现结构较柔，结构顶点位移和层间位移不一定满足规范要求，底部剪力系数也变低等问题，结构不安全。有时，采用全剪力墙体系通过将较长的墙肢开设结构洞或将窗台改为其他砌体等措施来解决结构刚度计算值偏大的问题。

4 结构优化设计理论与方法

目前结构优化设计的方法主要有数学规划法、准则法等。数学规划法：把结构优化设计作为数学规划的一个命题，使设计适应多种工况下各种评价设计方案好坏的目标函数，包括强度，刚度，稳定，温度，动力等方面，各种不同的约束条件，只要这些目标函数与约束条件能够用设计变量函数的方式来表示。准则法：从结构力学的原理出发，建立一些可以处理应力、位移、频率和临界力等约束的最优法则。由于它能适应各种结构的特性，计算方法简单，其结果至少是对现有设计的一种改进，并且，在一般情况下，对结构重分析次数至多十次左右，不随结构的复杂程度，以及设计变量的增加而增加，在大尺度的结构优化设计中得到较好的应用。

准则法

4.1满应力法

满应力方法是直观准则法的一种，建立在直观的物理概念基础上。是最早发展的一种结构优化设计方法。所谓满应力设计，就是在当结构在几种载荷情况作用下，使每一元件至少在几种载荷情况作用下，使每一元件至少在一个载荷作用下，共应力达到许用值的设计，由此希望达到结构重量最轻的目的。

应力比法是满应力准则法中最基本的一种迭代方法，也是最简单的。这种方法的具体步骤：首先估算出结构的初步设计方案， 假定设计变量是杆件的截面面积，根据力学方法计算出各工况下的最大应力，将这个最大应力与材料的容许应力进行对比得到应力比。不断改进设计方案，进行迭代计算，直到前后两次计算的截面面积接近为止。

4.2齿行法

齿行法是在比例满应力法中增加一种射线步，即从坐标原点出发，进过比例满应力设计点，再沿此射线方向回到约束曲线。这样整个走法的图形类似干锯齿形，所以称为齿行法。从形式上看，实行射线步只是对比例满应力法的一种修正，实际上射线步已经改变了准则法的性质，并且十分接近于最速下降法沿目标函数等值面的负梯度移动的方向。虽然齿行法可以避免收敛到非最优点，但是若通过有比例满应力步的歩距较大的情况，在迭代过程中，很可能会把真正的最优解漏掉，而使所求解远离最优解，所以，应考虑在齿行法的迭代过程中，缩短比例满应力步的步长，使相邻的两射线步设计点之间尽可能靠近一些，从而提高最优解的精确度。

结语

在高层住宅结构设计中，剪力墙数量不能过多，也不能过少。要通过结构优化理论，合理地设计剪力墙，既保证结构刚度和重量又合理控制成本，使结构性能和经济指标达到最优。

参考文献

[1]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报，2009.

[2]周浪.高层住宅剪力墙结构优化设计研究[D].武汉理工大学，2011.endprint