高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

梁艷

摘要：在保障高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對剪力墻結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計，對于提升建筑抗震性能、減少工程成本投入、提升企業(yè)經(jīng)濟效益尤為重要。本文結(jié)合高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及再優(yōu)化實例設(shè)計方案，對不同因素對剪力墻結(jié)構(gòu)性能的影響進行了探討。

關(guān)鍵詞；剪力墻；優(yōu)化；布置；性能；設(shè)計

一、工程概況

某純剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高層住宅建筑，建筑物平面尺寸為 37米×23.4米，總建筑面積約15440平方米，地上為16層，地下為1層，標(biāo)準(zhǔn)層高為2.9米，建筑總高度46.7米。該住宅建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，剪力墻抗震等級為四級，地區(qū)工程抗震設(shè)防烈度為 6 度。設(shè)計采用的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)，建筑場地類別為Ⅱ類。

二、剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)合不同因素對剪力墻結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化作用，對剪力墻的布置進行以下調(diào)整：增加 Q1、Q11、Q17、Q20、Q23、Q26 剪力墻的長度；增加 Q1、Q2、Q3、Q5、Q9、Q10、Q11、Q15、Q16、Q21、Q22 剪力墻的翼緣長度；增加 Q18、Q19、Q24、Q25 剪力墻的翼緣；刪除 Q6、Q7、Q13 剪力墻；減小 Q3、Q4、Q8、Q9、Q12、Q14 剪力墻的長度；刪除部分電梯井筒附近墻體。如圖2所示，為該高層住宅建筑優(yōu)化后的平面布置圖。

由此可見，基于連續(xù)、均勻、對稱的原則，增強高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)周邊剛度，可通過對剪力墻結(jié)構(gòu)周邊剪力墻布置的加強，起到對結(jié)構(gòu)抗扭剛度和抗側(cè)剛度的提升作用，實現(xiàn)對剪力墻布置的優(yōu)化調(diào)整。具體的方法包括：增加結(jié)構(gòu)周邊剪力墻、增加剪力墻翼緣長度、增加部分剪力墻的翼緣。對于一些高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)不規(guī)則、受力不均勻、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)過大的情況，可采用對結(jié)構(gòu)周邊剪力墻進行優(yōu)化布置的方式，使結(jié)構(gòu)的受力性能得到改善。但是采用這一優(yōu)化布置措施，結(jié)構(gòu)的材料用量也會同時增加，造價隨之增高，構(gòu)件的材料性能得不到充分發(fā)揮。雖然這種變化較小，但出于對結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性能的考慮，還應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行進一步的優(yōu)化與調(diào)整。

在保證高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)安全性能和穩(wěn)定性能的前提下，對高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪力墻的布置進行適當(dāng)減弱，可達到節(jié)約成本的目的。比如減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪力墻的長度、刪除結(jié)構(gòu)內(nèi)部分較多墻體和刪除電梯井筒附近布置較多墻體的做法，不僅能保證構(gòu)件材料性能的充分發(fā)揮，使剪力墻結(jié)構(gòu)受力更加合理，還可大幅度的節(jié)約材料使用量。雖然此種做法在一定程度上削弱了剪力墻結(jié)構(gòu)剛度，但剪力墻結(jié)構(gòu)性能各項指標(biāo)均能被控制在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。

三、剪力墻結(jié)構(gòu)再優(yōu)化設(shè)計

在2中剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，繼續(xù)對剪力墻的洞口率、墻厚、混凝土等級做出一定程度的調(diào)整：洞口率采用r x =0.1541，r y =0.1379；墻厚由250mm調(diào)整為 200mm。如圖3為再優(yōu)化后的高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置圖。

由此可見，在保證對剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度影響不大的基礎(chǔ)上，增大結(jié)構(gòu)周邊剪力墻的洞口率，可提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性更佳。但是此種做法隨之也加大了剪力墻結(jié)構(gòu)的周期和位移，導(dǎo)致剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度減小，當(dāng)洞口率的增大達到一定范圍內(nèi)，剪力墻結(jié)構(gòu)合理的抗側(cè)剛度將無法保證，使剪力墻結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性受到威脅。

當(dāng)逐漸增加剪力墻的厚度，剪力墻結(jié)構(gòu)的周期和最大層間位移角也相應(yīng)的逐漸減小。由此說明，增加剪力墻墻厚能增強剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)會變得更加安全穩(wěn)定。但是剪力墻結(jié)構(gòu)的地震剪力會隨著這種做法呈現(xiàn)線性的大幅度變化，由此來看，地震作用的增強也非常明顯。所以在對剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)將這兩種情況充分考慮在內(nèi)。

四、結(jié)語：

綜上所述，優(yōu)化后的高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)上部重量的明顯減小，在較大程度上減小了對地基基礎(chǔ)的荷載效應(yīng)，減小平均沉降變形，建筑材料得到充分利用，建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性良好。而上述再優(yōu)化后的剪力墻結(jié)構(gòu)，對地基基礎(chǔ)受力沉降變形進一步減小，在滿足綜合計算指標(biāo)的前提下，結(jié)構(gòu)布局更加合理。但是再優(yōu)化后的剪力墻結(jié)構(gòu)對材料力學(xué)性能發(fā)揮的較差，還存在更進一步的優(yōu)化空間。在保障結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對基礎(chǔ)設(shè)計再進行優(yōu)化后，優(yōu)化后的設(shè)計方案比再優(yōu)化后的設(shè)計方案會更具經(jīng)濟性。

參考文獻：

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