淺論高層住宅剪力墻結構優化設計

趙忠營

摘 要：剪力墻結構是民用高層住宅的主要形式，它具有剛度大，整體性好，用鋼量較省的特點。本文從剪力墻結構特點、優化設計、優化設計理論等幾個方面進行了分析，對工程設計優化有很好的借鑒作用。

關鍵詞：剪力墻；高層剪力墻結構；優化設計

中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A

1 概述

我國高層住宅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，在高層建筑的整個建造環節，建筑結構部分在整個建筑中的比重最大，約占整個工程造價的60%，合理優化結構將會降低工程造價。

2 剪力墻結構特點

剪力墻結構是用鋼筋混凝土墻來代替框架結構中的梁柱，能承擔各類荷載引起的內力，并能有效控制結構的水平力，這種用鋼筋混凝土墻板來承受豎向和水平力的結構稱為剪力墻結構，以便與一般承受垂直載荷的墻體相區別。

剪力墻承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點是整體性好，側向剛度很大，變形小，既承重又圍護，水平力作用下側移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內部布置。缺點是剪力墻的間距一般為3～8m，使建筑平面布置和使用要求受到一定限制，不能提供大空間房屋，結構延性較差。

剪力墻結構中墻與樓板組成受力體系，缺點是剪力墻不能拆除或破壞，不利于形成大空間住戶無法對室內布局自行改造。

短肢剪力墻結構應用越來越廣泛，它采用寬度（肢厚比）較小的剪力墻，住戶可以一定范圍內改造室內布局，增加了靈活性，但這是以整個結構受力性能的降低為代價的（雖然有試驗和研究表明這種降低幅度較小）。

目前，純剪力墻結構造價高，施工困難，耗鋼量極大，所以往往因為建設單位的制約，結構抗震設計于成本而不得不降低標準。

3 剪力墻優化設計

3.1 抗震優化設計

高層剪力墻結構底部的底層剛度與上部剛度之間的差距過大，一旦發生地震，會引起底部出現突出的弾塑性集中變形，造成剪力墻結構嚴重破壞。一次要嚴格控制剪力墻結構的底部剛度與上部剛度之比，根據對抗震的要求，合理設計剪力墻結構，保證經濟性。

3.2 結構設計優化

在剪力墻結構中，剪力墻適合沿主軸方向或其他方向雙向布置，形成空間結構。對于20層以下的高層住宅，采用短肢剪力墻結構。短肢剪力墻體系是在傳統剪力墻體系通過開設一定數量的結構洞而形成的。這種結構保持了較好的抗震性能。對于一些連梁，由于斷面較大，需要加大短肢墻與連梁的線剛度比，同時增大連梁的跨高比，避免連梁發生剪力破壞。20層以上的高層住宅，傳統的全現澆剪力墻是最好的選擇。由于20層以上的建筑中，如果仍采用短肢剪力墻結構，會出現結構較柔，結構頂點位移和層間位移不一定滿足規范要求，底部剪力系數也變低等問題，結構不安全。有時，采用全剪力墻體系通過將較長的墻肢開設結構洞或將窗臺改為其他砌體等措施來解決結構剛度計算值偏大的問題。

4 結構優化設計理論與方法

目前結構優化設計的方法主要有數學規劃法、準則法等。數學規劃法：把結構優化設計作為數學規劃的一個命題，使設計適應多種工況下各種評價設計方案好壞的目標函數，包括強度，剛度，穩定，溫度，動力等方面，各種不同的約束條件，只要這些目標函數與約束條件能夠用設計變量函數的方式來表示。準則法：從結構力學的原理出發，建立一些可以處理應力、位移、頻率和臨界力等約束的最優法則。由于它能適應各種結構的特性，計算方法簡單，其結果至少是對現有設計的一種改進，并且，在一般情況下，對結構重分析次數至多十次左右，不隨結構的復雜程度，以及設計變量的增加而增加，在大尺度的結構優化設計中得到較好的應用。

準則法

4.1滿應力法

滿應力方法是直觀準則法的一種，建立在直觀的物理概念基礎上。是最早發展的一種結構優化設計方法。所謂滿應力設計，就是在當結構在幾種載荷情況作用下，使每一元件至少在幾種載荷情況作用下，使每一元件至少在一個載荷作用下，共應力達到許用值的設計，由此希望達到結構重量最輕的目的。

應力比法是滿應力準則法中最基本的一種迭代方法，也是最簡單的。這種方法的具體步驟：首先估算出結構的初步設計方案， 假定設計變量是桿件的截面面積，根據力學方法計算出各工況下的最大應力，將這個最大應力與材料的容許應力進行對比得到應力比。不斷改進設計方案，進行迭代計算，直到前后兩次計算的截面面積接近為止。

4.2齒行法

齒行法是在比例滿應力法中增加一種射線步，即從坐標原點出發，進過比例滿應力設計點，再沿此射線方向回到約束曲線。這樣整個走法的圖形類似干鋸齒形，所以稱為齒行法。從形式上看，實行射線步只是對比例滿應力法的一種修正，實際上射線步已經改變了準則法的性質，并且十分接近于最速下降法沿目標函數等值面的負梯度移動的方向。雖然齒行法可以避免收斂到非最優點，但是若通過有比例滿應力步的歩距較大的情況，在迭代過程中，很可能會把真正的最優解漏掉，而使所求解遠離最優解，所以，應考慮在齒行法的迭代過程中，縮短比例滿應力步的步長，使相鄰的兩射線步設計點之間盡可能靠近一些，從而提高最優解的精確度。

結語

在高層住宅結構設計中，剪力墻數量不能過多，也不能過少。要通過結構優化理論，合理地設計剪力墻，既保證結構剛度和重量又合理控制成本，使結構性能和經濟指標達到最優。

參考文獻

[1]李芳，凌道盛.工程結構優化設計發展綜述[J].工程設計學報，2009.

[2]周浪.高層住宅剪力墻結構優化設計研究[D].武漢理工大學，2011.endprint