高層住宅剪力墻結構優化設計的研究

【摘要】隨著高層建筑的迅猛增加，剪力墻結構住宅占高層建筑的比例在70%以上，對高層剪力墻結構的進行優化設計，對于節約建設成本具有重要意義。本文介紹了我國高層建筑發展的特點，闡述了高層住宅建筑剪力墻結構優化的重要意義，指出了當前我國建筑結構優化中存在的問題，給出了高層住宅建筑剪力墻優化設計的對策，以供同行參考。

【關鍵詞】高層；住宅建筑；剪力墻；結構優化

隨著國民經濟的快速發展，我國進入城鎮化建設高速發展時代，建筑行業亦蓬勃發展，各地高樓拔地而起。高層建筑目前已經成為世界上大部分國家尤其是發達國家在城市建設中使用的主要建筑形式。剪力墻結構是利用建筑物墻體作為建筑物的豎向承載體系，并用它抵抗水平力的一種結構體系[1-3]。近年來剪力墻結構建筑由于具有空間整體性好、抗震性能好、用鋼量較省等優點而被廣泛應用予高層住宅中[4]。據相關數據表明，在我國高層住宅建筑中剪力墻結構住宅占70%以上，而且隨著經濟的增長，剪力墻結構住宅會越來越多。然而高層剪力墻結構住宅施工周期長、造價較高，因此加強對剪力墻結構住宅的優化設計具有重要的現實意義。

1、我國高層建筑發展的特點

高層建筑與其他建筑相比可獲得更多的建筑面積，使城市用地緊張的局面得到部分解決，因此高層建筑在我國城市的建設中得到了快速發展。目前國內的高層建筑大多是鋼筋混凝土結構，結構體系分框架、剪力墻、框架-剪力墻三大結構體系。在各類高層住宅的結構體系中，剪力墻結構的經濟指標性、抗震性能均比較突出，因而成為高層住宅中最主要的結構形式。剪力墻結構特點是整體性好，側向剛度大，水平力作用下側移小，用鋼量較省，因此剪力墻結構成為高層住宅中最主要采用的結構形式，被廣泛運用于現代高層建筑領域中。

2、高層住宅剪力墻結構優化的重要意義

結構優化設計指的是結構綜合，其目的是在眾多的設計方案中選擇一個最合理的方案，它可以通過主動的搜索從而找到最合理的方案，它的大致過程為假設-分析-搜索-最優設計。然而目前房產開發規模大，各設計院任務緊，因此設計時對如何有效控制工程成本的關心度不夠。另外設計者出于結構安全、方便設計、縮短設計周期等考慮而把結構設計得偏于保守，一定程度上沒有充分發揮材料的性能，造成了一定的浪費，一定程度上忽略了結構的合理性和經濟性。據一些專家學者通過數據統計了建筑設計優化的效能，指出建筑工程如果處于一般的情況下如果參與了結構優化設計要比一般的工程設計的總造價節約到5%～30%。由此可見，優化設計對建筑行業的現實性和重要性。高層剪力墻結構建筑建設周期長，投資較大，隨著房地產調控的深入及原材料價格的上漲，從設計挖掘潛力、節約成本已成為企業盈利的重要手段，優化設計越來越多的被各大房地產商所重視。如何在確保結構安全及實現建筑使用功能的前提下，將有限的結構材料和資源配置到能充分發揮其作用的關鍵性部位，在不降低結構安全冗余度的情況下最大限度優化結構設計，積極探索更可行的技術和措施，做到安全可靠、技術可行、經濟合理己成為結構工程師必須面對的問題。

3、目前我國建筑結構優化存在的問題

（1）結構優化只重視尺寸的優化，即在給定的材料、幾何形狀和拓撲的情況下，忽視結構整體的優化而只重視單個構件的優化，而以取得結構的最優截面及配置為優化設計最終目的。

（2）對于實際工程，結構的優化很少能一次成功，如果只進行簡單的優化工作，很難使結果貼合于實際工程的需要，對于現實的工程項目，優化設計幾乎不能一次就能成功，經常需要反復試算重分析尋求最優，這就要求要進行結構重分析，結構重分析必然會造成很多的工作量，這在當前這種開發商狠抓工程進度，早日收回投資成本的情況下，很少有開發商給出設計院這么多時間進行結構的優化。

4、高層建筑剪力墻結構設計的優化

4.1結構形式的優化

對于初始設計為剪力墻的結構，可通過對方案的論證，結合建筑形式確定是否可做成框剪結構，或增加少量柱子的剪力墻結構會更經濟，更合理。

4.2荷載的優化

結構的荷載在確定了使用形式及建筑布局后，荷載基本也就確定，但這里所指荷載的優化主要是指結構在計算模型時，很多設計人員在輸入荷載時人為的放大的因素，考慮的太多的安全荷載。層層放大致使幾十層的樓最終所增加的荷載也是非常大的，致使配筋截面等的加大，造成結構成本的增加。因此合理準確的輸入結構荷載是結構設計的關鍵。

4.3剪力墻布置的優化

剪力墻結構在布置要遵循“均勻、對稱、周邊、分散”的原則。一是材盡其用，發揮各類型剪力墻的特點，把各類型剪力墻布置在最適合的位置，發揮其最大效能；二是注意多道防線，有合理的屈服機制。因此剪力墻的布置不宜太密，剪力墻的布置不宜形式多樣，并應盡量避免不必要的暗柱設置。剪力墻應盡量拉通對直，以增加抗震能力。剪力墻結構中全部豎向力和水平力都由剪力墻承受，所以一般應沿建筑物的主要軸線雙向布置。特別是在抗震結構中，應避免僅單向有墻的結構布置形式，并宜使兩個方向抗側剛度接近，即兩個方向的自振周期宜相近。

4.4剪力墻截面優化

剪力墻厚度在滿足規范的最低要求情況下可根據軸壓比等參數適當減薄。剪力墻結構的重量較大，地震作用下的反應力也較大，只要保證剪力墻的穩定性及施工質量，剪力墻的厚度在規范限定的條件下適當減薄。剪力墻墻肢截面宜簡單、規則，剪力墻的豎向剛度應均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，應力分布比較規則。

5、結語

高層剪力墻結構的建筑規模、施工工期及投資都比較大，如果能借助結構優化設計使結構在滿足規范要求的前提下，有效的縮減結構的建造成本，這將會給國家和社會創造出巨大的經濟效益，因此加強對剪力墻結構住宅優化設計的研究有很重要的現實意義。

參考文獻

[1]建筑抗震設計規范（GB50011-2012）[S].中國建筑工業出版社，2010

[2]混凝土結構設計規范（GB50010-2010）[S].中國建筑工業出版社，2010

[3]高層建筑混凝土結構技術規程（JGJ3-2012）[S].中國建筑工業出版社，2010

[4]陳耀. 高層建筑剪力墻結構優化設計分析探討[J].福建建材，2011（4）： 36-38.

作者簡介：陳曉英（1984-）女，湖北漢川人，助理工程師，土木工程專業，從事工民建筑結構設計工作.

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