1、高层剪力墙结构优化设计分析摘要：剪力墙结构中墙体多数是构造配筋,结构延性较差,各墙肢的承载能力不能充分发挥。为了克服高层剪力墙结构的缺点,使其更好的发挥优势，因此对剪力墙结构的布置进行适当的优化分析显然十分必要。只有科学合理的剪力墙结构体系才可以有效保证高层建筑的经济性能与结构安全性能，因此结构设计人员应当根据相关规范的要求和建设单位的需要，来对其高层结构体系进行合理的选择与优化。本文针对高层剪力墙结构的优化设计进行了一定的分析和探讨。 关键词: 高层建筑;剪力墙结构;优化设计 中图分类号：TU318 文献标识码：A 一、引言 随着国民经济的飞速发展，我国城市建筑用地越来越紧张，住宅建设项目多
2、向空间纵深发展，高层住宅的建设不断涌现，高层剪力墙结构在高层建筑中的应用已经越来越广泛、越来越普遍。与传统框架结构相比较，高层剪力墙结构显得更加宽敞、通透，不但能够有效地提高使用面积，而且促使建筑的使用功能得到优化，同时也给业主的装修和自行改造提供一定的灵活性。从结构上来说，高层剪力墙结构整体性好、刚度大、侧向变形小、抗风与抗震性能好，另外还可以在宾馆与住宅等居住型的高层建筑中，通过设计隔断墙来将客房与居室分为小间，从而使得部分承重墙与隔断墙能够在优化配置过程中合二为一，所以高层剪力墙结构经济性也比较高。 高层剪力墙结构设计方面的优化 高层剪力墙结构的抗震优化设计根据相关机构对我国地震的历史记
3、录进行分析研究后的结果表明，之所以高层剪力墙结构会在地震中遭到严重的破坏，其根本原因在于高层剪力墙结构的上部刚度与底层刚度之间的差距太过于悬殊，一旦当地震作用集中在其底层时，就会导致底层出现极其明显的弹塑性集中变形。因此对于高层剪力墙结构，上部刚度与底层刚度之比必须要进行严格的控制，这是最关键的一点。另外，由于不同地区的抗震设防烈度也不完全相同，因此在高层剪力墙结构设计中对于抗震方面也要具体情况具体分析，以保证其经济合理性。 （二）高层剪力墙结构的连梁优化设计 在高层剪力墙结构中，连梁是一项关键的耗能构件，其剪切破坏会对结构抗震产生极不利的影响，并会大大降低结构体系的延性。因此在高层剪力墙结构
4、的优化设计过程中，一定要注意对其连梁进行强剪弱弯的反复验算，以保证连梁的剪切破坏晚于弯曲破坏。此外，对于人为地加大连梁纵筋的操作一定要慎之又慎，因为这样就极有可能无法满足其强剪弱弯的要求。当然也不能简单地认为加大箍筋就一定能够确保其强剪弱弯的要求，这是因为当连梁不能满足其截面控制条件时，一味盲目地增加箍筋必然会导致连梁在其箍筋还未及时充分发挥作用时就发生了剪切破坏。 （三）高层剪力墙结构的长肢墙优化设计高层剪力墙结构在优化设计中必须对其展延性给予适当的关注，尤其是对于呈高细形状的剪力墙，即高宽比超过 2，具有良好的展延性和弯曲破坏的属性，能够较好地防止发生脆性剪切破坏。而在墙肢长度比较长时，为
5、了满足其每个墙段的高宽比都超过 2，就可以采取开洞的方式来将长墙分割成为独立的、小而均匀的墙段。此外，当其墙段的长度比较小时，因受弯而导致产生裂缝宽度也比较小，这样就可以充分地发挥出剪力墙墙体配筋的作用。另外，对于剪力墙结构当中较少存在的长度超过八米的剪力墙长墙肢而言，在理论计算中其楼层的剪力大多数都是由这些剪力墙的长墙肢来承担。因此在发生地震尤其是超烈度强震时，这些长墙肢最容易遭到破坏。而短墙肢则是因没有足够多的配筋，从而整个墙面结构遭到全面破坏。因此规范上明确规定墙段长度不宜大于 8 米。当超过 8 米时，应在适当的位置进行开洞，形成两段墙肢，用连梁连接。（四）高层剪力墙结构的布置优化高层
6、剪力墙结构的布置应尽可能简洁、规则，保证结构的质心与刚心相一致，尤其是剪力墙的方案布置、墙肢的长短等都应合理。高层剪力墙结构的抗剪刚度相对较大，如果平面形式复杂、布置的墙肢较长，易出现受力过于集中、局部刚度过大的现象，甚至出现只布置极少的剪力墙就能满足上下层的抗侧刚度比限值的情况。所以在剪力墙布置方案上必须要坚持对称、均匀、周边、分散的原则，且墙片不宜过长，墙片平面形式也不宜采用增强抗侧刚度的“T”、 “Z”等平面形式，而应尽可能采用“一”字平面形式。同时还应控制好剪力墙的最大间距，以满足规范的要求。纵向剪力墙还应在外纵轴布置好开窗洞的剪力墙，这样就能极大地增强其横向抗倾覆的能力，以避免边柱产
7、生过大的拉力和压力。 1.墙布置优化 墙布置的优劣直接影响整个结构的经济指标。应尽量减少剪力墙的数量，且 各墙肢布置时应减少边缘构件，通过布置较少的抗侧力构件来获得满足规范要求的抗侧、抗扭刚度。 2.结构窗优化设计 在结构角部布置转角窗时，宜在窗端布置与窗台同宽的端柱。转角梁高度取楼板上下窗间高度差，加厚上下窗台板，再辅以斜向钢筋，加强带来增加结构整体抗震性能。 剪力墙结构计算方面的优化 在设计剪力墙结构时，应根据规范要求综合考察结构是否合理，如剪力墙结构的刚度不宜过大，在满足楼层最大层间位移与层高之比满足规范的基础上，以规范规定的楼层最小剪力系数为目标，使计算结果无限接近规范值；控制好结构扭
8、转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的自振周期 T1 之比，A 级高度高层建筑不应大于 0.9；在考虑偶然偏心影响的规定水平地震力作用下，楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移,A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2 倍，不应大于该楼层平均值的 1.5 倍。剪力墙连梁是否超限；剪力墙的轴压比是否满足规范要求。 （一）楼层最小剪力系数的调整原则。在满足楼层最小剪力系数的前提下，应尽可能地减少剪力墙的布置，以大开间剪力墙布置方案为设计目标，使结构具有适宜的侧向刚度，使楼层最小剪力系数接近（不小于）规范限值。这样能够减轻结构自身的重量，有效减小地震作用的输入，同时降低工程造价。 （二）楼层
9、最大层间最大位移与层高之比的调整原则。规范规定在计算多地震作用的楼层最大层间位移时，以楼间弯曲变形为主，计入扭转变形，可不扣除结构整体弯曲变形。因此，对于高层建筑应尽可能使扭转变形最小，但又不能仅根据这些层间位移不够而不加分析地增加竖向构件的刚度。在实际工程设计中，某些设计人员一看到某一方向层间位移不能够满足规范的要求，就不断地增加该项的侧向刚度。这样虽然可以解决问题，但更应该注意此时结构的剪重比：若与规范限制接近则可行；若剪重比已经较大，则不能一味地增加，应学会减小对应一侧的结构刚度，使其剪重比减小。地震作用减小，同样可以达到较好的效果。（三）结构扭转为主的第一自振周期 Tt 与平动为主的第
10、一自振周期 T1 之比（周期比）的调整原则。震害表明，平面不规则、质量与刚度偏心、抗扭刚度太弱的结构，在震中遭到严重破坏。在设计时，要保证结构的抗扭刚度不能太弱：首先要限制结构平面的不规则性，避免产生较大的扭转效应，扭转效应的计算应考虑偶然偏心的影响；其次是限制结构的抗扭刚度不能太弱，具体表现在 Tt/T1 指标上。在实际工程设计中，应将结构竖向构件尽可能沿周边布置，以此提高结构的侧向刚度和抗扭刚度。若在结构的形心附近加大竖向构件刚度，则只是对侧向刚度的贡献大，而对抗扭刚度来说，贡献甚微。 （四）连梁超限的调整原则。 高规规定剪力墙长度不宜大于 8m，当大于 8m 时，宜采用弱连梁将其分开同时
11、还规定跨高比不小 5 的连梁宜按框架梁进行设计；有地震作用组合时，对于高跨比大于 2.5 及小于 2.5 两种情况，在截面受剪承载力及配筋方面有不同规定。为此应将连梁进行塑性调幅，以降低剪力设计值。 塑性调幅可采用两种方法：在内力计算前将连梁刚度进行折减； 在内力计算之后，将连梁弯矩和剪力组合值乘以折减系数。 无论采取哪种方法， 连梁调整后的弯矩、剪力设计值都不应低于使用状况的值，也不宜低于比设防烈度低一度的地震组合所得的弯矩设计值，以避免在正常使用条件下或较小的地震作用下连梁出现裂缝。四、结语 总而言之，优化设计不是以降低结构安全为代价，盲目减小截面及配筋去追求经济指标，而是结构师根据工程特点，依靠自己的技术水平，通过概念设计及一系列合理的技术措施，使得建筑安全可靠，技术合理、经济指标优良。优化设计应成为每一位结构师的习惯和追求。 参考文献：1 朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析 GB50011-2010.中国建筑工业出版社，2011(09).2 朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析 GB50011-2010，中国建筑工业出版社，2013(01).
