高層住宅剪力墻結構優化設計

■陸小軍，周 成

■1．蘇州華造建筑設計有限公司，江蘇 蘇州 215000;2．金科集團蘇州科潤房地產開發有限公司，江蘇 蘇州 215000

隨著經濟的快速發展，越來越多的人定居城市，城市高層建筑的建設越來越受到重視。為了充分利用建筑空間，高層住宅的建設高度不斷增加，并且對高層住宅兼顧舒適性和安全性的要求也越來越高，因此尋找提高高層住宅的安全性的方法非常重要。高層住宅剪力墻結構的設計越來越被廣泛應用到高層建筑的建設中。為了符合現代建筑理念即提高高層住宅的安全性、經濟性和合理性的要求，高層住宅剪力墻的結構優化設計顯得非常重要。

1 高層住宅剪力墻結構設計的總論

1．1 高層住宅結構設定意義

經濟快速發展使得城市的現代化程度越來越高，城市人口的不斷增加導致城市的高層住宅建筑也越來越多，居民對高層住宅的安全性要求也越來越高。高層住宅的設計需要考慮的因素包括建筑的高度、安全性、舒適性和經濟性等等，并且在施工結束后的工程驗收過程中的檢測標準也是非常嚴格，高層住宅必須經過嚴密的檢查才能投入居住。因此，建筑的結構對高層住宅的建設非常重要，而近年來，由于剪力墻能夠增加高層住宅建筑的可靠性的特點，使得剪力墻結構的應用范圍變得越來越廣泛。

1．2 剪力墻的概念和結構

所謂剪力墻結構就是將現代產品鋼筋混凝土應用到高層住宅的墻體中，其基本作用就是代替傳統的梁柱加強高層住宅的結構安全性。剪力墻結構的使用使得墻體在承受橫豎力時更能體現支撐的良好效果。同時，剪力墻結構能夠具備傳統支撐結構不具備的優點，即剪力墻結構的整體性能大大的優于傳統支撐結構的整體性能，并且剪力墻結構的運用增加了房間的裝修空間，從而更大的提高高層住宅的房間使用率。但是剪力墻自身存在也一些不可避免的缺點，那就是在房屋的平面使用方面可能會受限制。而且由于剪力墻的整體性比較好，所以進行部分拆除或者破壞的工作難度較大。目前，大部分的剪力墻結構的施工成本較高和施工比較困難，所以需要對原有的剪力墻結構進行優化工作，降低施工成本和提高建筑整體的安全性能。

2 剪力墻優化設計

2．1 剪力墻抗震優化設計

現代社會，人們對建筑的抗震性能意識不斷提高。對于高層住宅建筑，地震所帶來的危害將會更大。因此，在對高層住宅進行結構設計時，一定要考慮建筑的抗震指數。對于高層住宅剪力墻結構，可能由于本身剛度比較差，所以在發生地震時變形就會非常嚴重，對于地震的防御力就很低。因此，對于高層住宅剪力墻的剛度問題要進行優化設計，符合抗震的要求，保證結構合理和經濟性。

2．2 剪力墻結構設計優化

高層住宅建筑的設計不僅僅要求是能夠達到最基本的建筑使用標準，更要注意的注重結構合理性問題。高層建筑的設計過程中需要考慮建筑層數比較多，并且在施工時要保證地基足夠堅固，支撐之后將要建造的上面的樓層的重量。在設計時，既要保證剪力墻能夠保證較好的抗震性，又要保證足夠的剛度。對于現有的剪力墻結構中的一些缺點，比如建筑成本比較高，而且在施工時難度比較大，對于鋼材的使用量也非常大，也需要被考慮在優化設計中。可能這些缺點就是因現有剪力墻的結構不合理性造成，所以在進行優化設計的過程中就要考慮到這些問題。優化設計者要充分考慮到各方面可能影響到剪力墻結構的因素，在優化設計時能夠改進這些問題，爭取使得優化后的剪力墻在使用過程中盡量避免出現原有的不足。優化過后的剪力墻結構需要表現出抗震性好、建造成本低、施工時比較簡單、對鋼材的使用量降低等優點，因此對高層住宅的剪力墻優化設計的探索具有重要意義。

2．3 剪力墻位置優化

剪力墻在其設計的過程中通常為雙向布置，一般沿著主軸方向或者其他的方向，此種做法可有效的提高空間工作性能，且極易實現兩個方面手里的抗側剛度接近。剪力墻的位置、數量均要得當適宜，若是剪力墻的數量太少，那么結構抗側剛度則無法滿足設計要求，但是數量過多，那么墻體的利用率則會大大降低，從而導致結構抗側剛度過大，加大地震力和自重，無法充分滿足設計要求。在設計剪力墻肢截面的時候，盡量達到規則、簡單、豎直剛度均勻等要求。在對建筑進行抗震設計時，剪力墻底部則需加強部位不應采用錯洞墻和疊合錯洞墻，有效的避免設計過程中墻肢剛度相差懸殊的洞口。同時剪力墻必須應用從上到下的連續布置方式，避免強敵剛度突變，且對剪力墻平面外地彎矩進行控制，保證剪力墻平面外地穩定性。

2．4 剪力墻厚度優化

在對剪力墻進行厚度優化設計時可完全依靠ansys軟件進行設計，利用梁單元BEAM4和殼單元SHELL63建立剪力墻結構模型，如圖1，并充分的發揮ansys軟件強大模態分析功能采用30階莫泰，得到模型的30階自振頻率，從而對剪力墻的固有頻率與振型進行了優化設計，優化后的各階頻率均小于優化前，這就使得整個結構變的“更柔”而且降低了工程的成本。在墻體厚度的優化設計中，設計變量為剪力墻厚度，約束條件為最大層間位移角，目標函數為混凝土用量。優化后的墻體厚度從0.25m減小到0.214m，混凝土的用量也從2544m3降到了2181m3。

圖1 剪力墻結構模型

3 結束語

從現實情況來看，在我國的高層建筑住宅中，剪力墻結構已被廣泛應用，其數量會根據不同的高層住宅而有所不同，所以對于高層住宅剪力墻結構優化勢在必行。而在對剪力墻的優化設計中要注意，優化的目的不僅僅是為了能夠降低工程造價，更要在保證安全的前提下，做到建筑的合理性，要更好的保證建筑的使用功能。因此，對于高層住宅剪力墻結構的優化要妥善考慮到建筑各方面的特點，兼顧合理性，才能發揮出結構優化的意義。