高層剪力墻結構墻體的優化方案設計分析

【摘 要】 高層建筑中應很好地把握剪力墻布置的度，使整個結構從抗震的角度可使地震力盡量減小，滿足受力要求，保證結構的安全；從經濟的角度盡可能地降低造價，以達到最經濟，這樣才能真正體現優化設計的意義。

【關鍵詞】 剪力墻結構；優化方案；對比分析

以江西省某小區的一棟高層剪力墻為例， 取地震作用為目標函數，結構的抗側剛度為設計變量，選擇適當的約束條件， 通過逐步改變墻體厚度和數量來得到一個最優的結構抗側剛度，使整個結構處于最佳受力狀態，并且達到最經濟的目的。

1 模型的建立

本方案模型為10層剪力墻住宅結構，無地下室，建筑高度為32m 。

1.1 優化前的方案模型

第一種布置方案：根據所提供的建筑資料和高層剪力墻結構布置的基本原則，初步布置剪力墻，墻厚250m，如圖 1所示。在第一種方案的基礎上，將剪力墻的厚度改為200m，剪力墻數量和長度不變，得到第二方案，平面同圖1。

圖1 方案一的結構標準層剪力墻布置

1.2 優化后的方案模型

在第二方案的基礎上，不改變剪力墻的厚度，而在剪力墻的數量布置上稍作改變，將個別剪力墻刪去，部分分戶剪力墻縮短，減少中心筒附近的較多的剪力墻，調整 X、Y 方向的抗側剛度，得到第三方案，如圖2所示。

圖2 方案三的結構標準層剪力墻布置

2 優化前后三種模型計算結果對比分析

采用中國建筑科學研究院編制的SATWE軟件分別對三種模型進行計算，通過對結構動力特征、內力特征、變形特征等指標來分析剪力墻布置的改變對結構優化設計的影響。

2.1 動力特征中的結構振動周期

三種結構方案對應前16個振型計算的自振周期如表3所示。

GB50011—2010《建筑抗震設計規范》規定：多遇地震作用下剪力墻結構第一自振周期一般約在總層數的 0.06～0.08 倍之間。經過演算得知，三個方案的第一自振周期均符合要求。由表3可以看出：在方案一、二中，通過剪力墻的改變，在剪力墻數量不變的前提下，適當減小墻體厚度，結構的抗側剛度和地震力便會減小，結構自振周期增大；在方案二、三中，當墻厚不變時，地震剪力隨剪力墻數量的減少、開洞率的增大而降低，結構變形也相應增大。故隨著墻厚的減小、開洞率的增大，結構剛度在降低。

方案一、二、三之間 X向、Y向平動周期與扭轉周期的變化情況如下：

方案一：第1 、 4、7 、8 、13 、16 為 X 向平動周期， 2、 6、 10、 12、15 為 Y向平動周期；第 3、 5、9 、11、14 的扭轉成分較大，為扭轉周期。

方案二：第 1、 7、8 、13 、16 為 X向平動周期，第2 、4 、 6、 10、12 、 15為 Y向平動周期；第 3、5 、9、 11、 14為扭轉周期。

方案三：第1 、4 、7 、8 、13 為 X 向平動周期，第2 、9 、12 、14 、15 為 Y向平動周期；第3 、 6、10為扭轉周期。

由此可以看出，方案一、二、三的以扭轉為主的第一自振周期 Tt 與以結構平動為主的第一自振周期T1之比，均滿足規范要求，且優化后結構扭轉成分是在逐漸減少。周期比的對比見表4（a表示方案二周期減去方案一周期的差值再與方案一周期之比；b表示方案三周期減去方案二周期再與方案二周期的比值）。

從表4可以看出：a 值最大為 6.69%，b 值最大為13.94 %，均符合要求；且從對比結果可知，優化后的方案比優化前的結構變得更柔。

2.2 內力特征

地震作用下， 三個模型的最大樓層剪力和反應力的對比見表5。

由表5可以看出： 優化后模型三在地震作用下最大樓層剪力和反應力比模型一有所減??；在模型一中，Y方向的最大樓層剪力比 X 方向的大4.1 %，優化后這個比值降低為 2.7%，說明優化后結構 X、Y 兩主軸方向的剛度更接近；同樣隨著結構的優化，反應力也在逐漸降低，優化后的模型兩主軸方向在地震作用下的最大反應力也更接近，說明模型三更有利于抗震。

2.3 變形特征

三種結構方案沿兩個主軸方向的彈性層間位移角見表 6。

由表6可以看出：三種方案的彈性層間位移角都符合《建筑抗震設計規范》的規定，即在多遇地震作用下的樓層最大彈性層間位移角均不超過1/1000；模型一的最大層間位移角比規范要求的小很多， 模型二次之，模型三的最接近規范的要求。這說明模型一的結構剛度過大，設計偏保守，優化后的模型三的側向剛度有較大的降低，而且當剛度降低時，風荷載引起的側向位移遠小于由地震作用引起的，所以地震作用起控制作用。同時由計算結果也可以看出，模型的最大層間位移也在逐漸的增大。

結語

通過對三種方案從不同角度的對比分析可以看出，對剪力墻厚度或數量進行適當調整，使方案三的結構整體在布置上和受力上都處于較方案一、 二更為合理的狀態， 且由于方案三在剪力墻的數量和厚度上都比方案一、二有所減少，所以更經濟。

參考文獻

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