高层建筑剪力墙结构中剪力墙布置优化

摘要：随着我国经济和社会建设的不断发展深化，建筑业的发展发生了翻天覆地的变化，尤其是高层建筑在我国的城市化建设中得到了迅速发展。剪力墙结构由于具有侧向刚度大，室内无露柱现象及抗震延性好的一系列优点，成为高层住宅建筑最主要的结构形式之一。本文主要结合实际工程经验，对剪力墙优化布置设计进行分析，以得出安全又经济的结构形式。

关键词：剪力墙结构，合理布置，影响因素，结构优化

0引言

在高层住宅建筑中，剪力墙结构作为主要的承载力结构体系，因其具有室内空间整洁，使用面积大，空间利用率高，无露梁露柱，同时结构整体性能好，抗侧刚度大等优点，而被大量地应用于各地的高层住宅的建筑中。此外，剪力墙结构还具有承载能力大、抗侧刚度强，结构安全稳定性能好的优点。所以在高层住宅建筑中采用剪力墙结构体系十分符合人们对住宅的使用和功能要求，适合在高层建筑的住宅建设中推广应用。因此，在我国的高层建筑特别是住宅建筑中应用和发展剪力墙结构具有一定的必要性。

1剪力墙结构中剪力墙布置基本原则

1.1在建筑物整体方案布置上，剪力墙应尽可能满足的布置原则。在剪力墙结构中，不同的布置方案将会对建筑物的刚度中心以及质量中心造成很大影响，当两种结构中心偏差过大时，会增大结构整体的扭转效应，产生不利影响。因此，在结构设计中，为了保持建筑的刚度中心及质量中心接近或者重合，应尽可能满足“均匀、对称”的布置原则。

1.2建筑物的周边尤其是脚部，应该结合建筑物立面要求尽量布置剪力墙。这项布置基本原则，对应结构设计规范中所要求的“四周”基本原则。通过对结构设计方案中，建筑物的四周脚部尽量布置剪力墙，将强化周边，对于内部适当弱化，将会增强结构整体的抗扭能力。

1.3对于结构中较长的剪力墙，应通过开设洞口，将其划分为均匀的若干墙段，采用弱梁连接，形成联肢剪力墙类型。相较于其他类型剪力墙，联肢剪力墙经济效益更好，从而形成布置更为合理的方案。

1.4剪力墙的布置除应保持刚度中心与质量中心接近或重合的要求外，也应该保证沿房屋横纵两个方向双向布置的要求，从而保证结构在两个方向上的刚度尽量接近。

1.5剪力墙方案布置过程中，宜采用墙肢截面简单、规则的构件类型进行布置。对于构件类型中稳定性及抗震性较差的I字型剪力墙应较少采用，更多采用L、T字型剪力墙构件。

1.6相较于结构中其他部位，结构中楼梯间、电梯井处刚度较为薄弱，应布置剪力墙形成筒体增强局部刚度，提高结构整体稳定性及安全性。

1.7在高层建筑剪力墙结构中，剪力墙构件可分为长肢剪力墙以及短肢剪力墙，相较于长肢剪力墙，短肢剪力墙用钢量更大，经济性更差。因此，在剪力墙方案布置中，应保持长短肢剪力墙的合理运用，尽可能少的采用短肢剪力墙。

1.8剪力墙结构中，墙柱一般均为压弯构件，其意味着构件中多数部位可采用构造配筋来满足结构的稳定性及承载力要求。从而，墙柱构件的截面尺寸不必设置过大，而造成整个构件的用钢量大大增加，使得整个结构剪力墙布置方案经济性降低，故针对合理地确定墙柱截面尺寸，将会成为剪力墙布置方案合理性的重要指标之一。

因此，剪力墙结构中剪力墙布置的基本原则可总结为，在满足结构抗扭性能及整体安全稳定性能的前提下，使得结构的布置方案技术经济性能最佳。

2剪力墙布置优化步骤

本文剪力墙的布置优化步骤如下：

2.1选定本人参与的广州市某高层住宅项目剪力墙结构，并以该剪力墙结构的布置方案作为基本方案，即方案一；

2.2结合剪力墙结构设计的一般规定和布置原则，对结构中的剪力墙布置进行优化调整。减小基本方案的扭转作用，增强结构周边的刚度，按照连续、均匀、对称的原则，在方案一的基础上加强结构周边剪力墙的布置，即增加结构周边部分墙体或翼缘长度，适当增添部分墙体的翼缘，从而得出方案二。方案二较方案一具有结构刚度增强，结构安全、稳定性提高的优化效果。

2.3满足结构安全可靠的情况下，节约工程成本。在方案二的基础上通过减小、删除结构内部部分剪力墙，删除部分电梯井筒附近布置较多的剪力墙，得出方案三。方案三较方案二具有明显改善建筑物的经济性，节省材料用量，充分发挥结构构件的材料性能的优化效果。此外，结构的延性扩展，结构的受力变形性能更好，同时结构仍具有合理良好的刚度，结构安全可靠。

2.4研究探讨剪力墙结构的影响因素，如墙厚、洞口率及混凝土强度等级的变化对剪力墙结构性能的影响，找出其中对剪力墙结构性能影响较大的因素，然后再加以调整设计，这也可视作是对结构优化设计的探讨。

2.5结合对剪力墙结构性能影响因素的研究，对影响较大的因素进行重点控制，如洞口率、墙厚。改变剪力墙的洞口率或剪力墙的墙厚，形成方案四。通过模型的构建与有限元软件的计算分析，比较方案四相对于方案三的优化效果，从而得出最优化的剪力墙设计，达到结构设计再优化的目的。方案四与方案三相比较，具有结构构件尺寸上的优化，是对剪力墙结构的进一步优化。

3布置结构优化分析

本文的工程实例是上述的广州市某高层住宅建筑，纯剪力墙结构体系，该工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，剪力墙抗震等级为四级，该地区工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g。

现在所采用的计算模型是在经过初步设计优化后的模型三即上面提到的方案三的剪力墙布置的基础上，对方案3的剪力墙的洞口率和墙厚做出一定的调整。以增大结构周边的洞口率即采用上述第四种洞口率rx=0.1541，ry=0.1379，上部结构的墙厚从250mm调整为200mm，混凝土强度等级C30作为第四种剪力墙的平面布置方案，即方案四。利用结构软件SATWE进行有限元的计算分析，对比调整前后的两种结构模型的内力特性、变形特性、动力特性和经济性的变化特征，研究探讨优化的结构设计对结构性能的影响，从而推导出剪力墙进一步优化设计的思路和方法。结果表明：在满足结构安全稳定的前提下，适当增大结构周边剪力墙洞口率的大小和改变剪力墙的厚度，能较大程度上节省材料用量，节约工程成本，结构的经济性得到明显提高，同时结构中构件的材料性能还能得到进一步发挥，结构受力更加合理。此外，虽经调整后结构的刚度有一定的削弱，但结构仍具有良好合理的刚度，结构性能的各项指标能充分满足现行规范规定的各项要求，结构安全可靠。与此同时，结构刚度的减弱使得结构的延性得到一定发展，结构的力学变形性能得到一定提高，结构的受力变形更加合理。综上所述，调整后的结构的经济性更好，安全稳定，结构布置更加合理，优化效果明显。因此在实际的工程中，工程设计人员可根据这一布置剪力墙的思路、方法来进行结构的优化改进，从而来实现结构安全经济的最优化。

4总结

本文对高层剪力墙结构中剪力墙的合理布置及优化设计进行了初步的研究，由于剪力墙的布置方法及优化思路众多，本文只是基于特定的工程项目实例的研究分析而得出一些初步结论，虽能对类似工程的结构设计有一定的实际应用价值，但还有许多问题与不足。在今后的研究分析中，还须注意对基础设计的优化进行更深入的研究，从而得到更安全经济的方案设计。

参考文献：

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