剪力墙结构设计在高层建筑中应用

梁杵兴

摘要：剪力墙结构具有结构度大、钢用量较少、整体性好、在室内能够实现无露梁及露柱、美观外形等优点，在建筑中应用越来越广泛。本文以某小区剪力墙结构为例，分别对剪力墙结构优化前后对比得到了普遍的改善，以供参考。

关键词：高层建筑；结构优化；剪力墙

1、工程概况

广州市某住宅小区，地上18层结构为纯剪力墙结构，地下一层，建筑高度为53.5m，项目总建筑面积约为7746.4m2。地下室层高为3.6m，其余层高均为3.0m。室内外高差300mm。本工程项目以50年作为基准期，结构重要性系数取1.0，场地类别属三类。7 度设防，地震加速度为0.10g，地震分组为第一组，水平地震影響系数0.08，特征周期为0.45。本工程为总高度54m 剪力墙结构，属于A 级高度房屋，剪力墙结构抗震等级是三级。

2、设计参数选取

设计参数正确选取直接影响结构计算的准确性，为使目标计算模型最大限度模拟实际工程真实情况，对软件中要进行输入各类参数精确，依据最新规范根源出处进行设置，SATWE 计算结果有效性是建立在计算参数正确合理性基础上，重要参数最大地震作用方向，本工程该数值小于15；振型组合数15；结构基本周期，在进行结构设计前不能预先确定，利用软件中缺省值进行试算；周期折减系数，结合非承重墙体布置数量，周期折减系数取为规范推荐值0.9；连梁折减系数0.7；连梁折减系数，梁刚度放大系数在1.0-2.0 区间内自由取值。SATWE 计算软件自动判断中梁及边梁并加以区分，对符合要求中梁刚度进行放大，程序会自动计算。

3、优化前后方案整体性能对比

3.1 结构模型对比为得到较好研究效果，本文设计两个结构方案均满足规范。根据上文总结对剪力墙数量和布置优化理论和方法，对第一个结构方案进行优化。根据剪力墙“对称、金角银边、均勾、分散”优化原则，剪力墙布置在角部对结构最优，其次是周边，对墙梁板截面尺寸及位置，软件计算参数等多方个方面对该方案进行优化。保留刚度变化位置、楼梯间、电梯间、角部周边部分有利于结构部分剪力墙，将剪力墙墙肢尽量做成工型、T 型，削弱结构中心部分墙肢刚度，适当调整部分剪力墙墙肢长度，将优化后各构件及布置整合而成为优化后结构模型。

3.2 结构动力特性分析

3.2.1 周期经过SATWE 有限元计算后检查计算结果合理性后，从文本文件输出中“周期振型地震力”项目中找到两个模型周期数值，通过优化数据可以看出优化前结构周期均处于0.0432-1.2359 范围内，优化后结构周期均处于0.0621-1.6367 范围内，在各个阵型工况下经优化后结构周期较之前周期普遍得到延长。针对于结构平动系数，优化前方案结构属于单一方向纯平动情况很少，推定结构扭转效应明显，优化后结构结构振动情况均己调整为纯X 方向或纯Y 方向平动，扭转效应较弱。优化后模型振动明显优于前者。

3.2.2 振型根据振型分解反应谱法计算出两模型结果如下：原模型X 向有效质量系数为99.50%，Y 向有效质量系数为99.50%；优化后模型X 向有效质量系数为99.50%，Y 向有效质量系数为99.50%；优化前后模型有效质量系数均满足规范要求。本文取结构前6 个有代表性的振型进行叠加得到结构质心振动简图，对于优化前投影阵型，两个方向摆动幅度与大致图形相似，但Y 方向投影阵型与X 方向投影阵型相比更为收敛；对于优化后投影阵型，两个方向摆动幅度与大致图形相似度极高，两方向投影阵型比较收敛。两模型在两个方向刚度相差不大，但优化前模型与优化后模型振动相比阵型更加发散，判断优化后结构更利于抗震。

3.3 结构变形特性分析

3.3.1 层间位移角在SATWE 计算结果文本文件中，对各种工况作用下层间位移角数据均有显示，在风荷载及地震作用工况下进行优化前后结构层间位移角，风荷载工况下本结构X 方向层间位移角远远小于Y 方向层间位移角；地震工况下引起层间位移角数值都比较接近，说明两方向刚度分配合理。风荷载作用下最大层间位移角远远小于地震作用下层间位移角，两模型都是在地震作用下工况下出现最大层间位移角，说明在本工程中地震作用是结构性能明显控制变量。地震工况下原模型在两个方向最大层间位移角分别为1/1689 和1/1586，与规范给出层间位移角限值1/1000 存在差距，说明整体刚度偏大，安全储备过多。优化后结构地震工况下两方向最大层间位移角分别为1/1324 及1/1221，相对于优化前模型数值有所增加，满足规范要求。

3.3.2 位移比根据规范要求，本工程位移比不宜超过1.2。位移比能有效保证结构平面规则性，使结构可以避免扭转。两模型数值都在1.06-1.22 范围内，最大位移比均满足规范上限1.5 要求。优化前模型在XY 两个方向最大位移比存在一定差距，优化后模型两个方向位移比基本相同且己控制在1.2 范围内，表明经过优化后结构平面较优化前规则性更强。

3.4 结构内力特性分析

3.4.1 墙肢轴压比SATWE 软件采用数学微元法进行处理计算，将全部不规则墙肢切割为无数矩形微元墙段，对各矩形截面轴压比进行计算，对所有结果进行微分求解其总体墙轴压比。

本工程剪力墙为三级抗震墙，剪力墙墙肢轴压比限值为0.6，本文选取优化前模型和优化后模型结构最底层轴压比进行比较，前者各墙肢轴压比均在0.20-0.45 范围间，优化后者墙肢轴压比控制在0.33-0.60 范围间，满足规范要求，可以达到预期延性破坏。

3.4.2 层间内力分析分析结构内力前对比结构各楼层单位面积质量分布。结构总计算内力包括荷载作用下内力计算和在地震工况下内力计算，内力大小直接影响计算配筋大小，影响构件控制截面及混凝土强度。实现延性剪力墙强墙弱梁、强剪弱弯设计原则。结构在地震作用下层间剪力和弯矩值进行统计。

通过结构优化，结构总重量减轻且都处在规范的推荐值之内，对结构性能很有利。结构重量减轻会直接减小结构内力降低结构构件计算配筋，同时还能降低结构地震力，可见结构优化设计成效好。

4、结论

在结构动力特性方面，通过对优化前后结构由结构自振周期对比可知，当结构自振周期比规范上周期经验公式计算所得结果小，说明结构整体刚度偏大。结构在两个方向上平动周期不接近时，说明结构XY 向刚度存在一定差异，需要进行修改。在满足规范前提下通过减少部分剪力墙使刚度降低，结构增大周期。本工程最大层间位移角影发生在地震作用下，说明地震对7 度区高层建筑结构性能起控制作用。在结构内力特性方面，如结构轴压比与规范限制偏差较大时，说明结构没有充分发挥剪力墙力学性能。结构轴压比越接近于规范限值，结构越经济。

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