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小；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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