高層剪力墻結構優(yōu)化設計及抗震性能研究

孫 鵬 （山東省濟南市萊蕪區(qū)城市規(guī)劃協(xié)調(diào)服務中心，山東 萊蕪 271100）

高層剪力墻結構優(yōu)化設計的背景主要來自高層建筑在當今社會的廣泛應用及其在結構設計中所面臨的挑戰(zhàn)。高層建筑由于其特殊的結構和高度，使得其結構設計需要滿足更高的強度、剛度、耐久性和抗震性能等要求。特別是在地震作用下，高層建筑結構會受到更大的影響和挑戰(zhàn)，因此，在高層建筑結構設計中，需要重點考慮如何提高結構的抗震性能，以保障建筑內(nèi)人們的生命財產(chǎn)安全[1]。為了滿足這些要求，同時提升高層建筑的經(jīng)濟效益和社會效益，剪力墻結構作為一種優(yōu)秀的結構形式被廣泛應用于高層建筑中。剪力墻結構具有較高的承載能力、剛度和抗震性能，能夠有效地提升高層建筑的整體性能和安全性。在剪力墻優(yōu)化設計時，需要考慮諸多因素，如結構類型、材料選擇、施工工藝等，其中，結構類型是影響剪力墻性能的主要因素之一[2]。為深化高層建筑結構中剪力墻的設計，下文將以某工程項目作為實例展開研究。

1 高層剪力墻結構平面布置與墻長優(yōu)化

1.1 建立墻元模型

為提升高層建筑剪力墻結構的可靠性，需要在對其進行優(yōu)化設計前，結合項目的設計及需求，進行剪力墻結構中的墻元模型構建，基本模型結構如圖1所示。

圖1 墻元模型結構

廣義層面上的墻元模型，實質(zhì)上是一種板殼單元，由于剪力墻同時承擔水平和豎向兩種荷載，且同時具有面內(nèi)和面外兩個剛度，因此，采用殼元方法對其進行數(shù)值模擬更符合現(xiàn)實[3]。

1.2 優(yōu)化

在遵循高層剪力墻結構布置原則的前提下，結合高層建筑的使用功能，布置初始方案。初步設計方案中設置了較多的剪力墻，部分填充墻處設置了剪力墻，墻長也比較長，初步確定為方案一，后續(xù)的優(yōu)化工作將基于原方案進行，如圖2 所示，圖中粗實線區(qū)域表示已設置的剪力墻，虛線表示設置的梁結構[4]。

圖2 高層剪力墻結構布置初始方案示意圖

為了避免剪力墻結構上出現(xiàn)X 軸與Y 軸剛度相差較大的問題，對Y軸方向上的剪力墻長度進行削減，以此使X 軸方向與Y 軸方向的剛度達到平衡[5]。在保證墻體整體側(cè)移恒定的情況下，考慮到電梯本身只受自重影響，本項目擬在8 軸和20 軸交叉Y 軸方向剪掉400mm，并用墻體替代樓板、填充墻體，達到墻體長度最優(yōu)。在此基礎上，對剩余墻肢在不影響建筑使用功能的情況下，對剪力墻肢的尺寸進行減少調(diào)整，從而達到精簡墻肢數(shù)量的效果。圖3 為剪力墻墻肢優(yōu)化局部放大圖。

圖3 剪力墻墻肢優(yōu)化局部放大圖

按照圖3所示在精簡優(yōu)化的基礎上，將部分一字型長墻肢設置為“L”型或“T”型。在設置剪力墻時，盡量采用“L”型或“T”型剪力墻，這樣可以使結構的受力更為合理，在抗震、抗風方面有較好的表現(xiàn)[6]。

2 高層剪力墻結構墻厚優(yōu)化

結合高層建筑相關規(guī)定，剪力墻結構的墻厚不得小于層高的1/25，并且墻體的厚度不得小于160mm，因此最小墻厚應設置為180mm，加強層的厚度保持200mm 不變，加強區(qū)域以上部分的墻厚度減小為180mm，按照這一方案重新進行組裝，得到如圖4 所示的結果[7]。

圖4 豎向墻厚示意圖

對于組合墻厚度的優(yōu)化應當考慮到剪力墻偏心受壓的情況，這一問題產(chǎn)生會進一步造成大偏心和小偏心受壓破壞。以大偏心受壓情況為例，根據(jù)力矩平衡可得：

式中∑Y代表所受到的力的合力矩的代數(shù)和。

再進一步得出：

式中As代表鋼筋的配筋面積；fy代表桿件的抗拉強度設計值；f′y代表桿件的抗壓強度設計值；x代表變量；NU代表拉力；N代表剪力墻所受合力；α1、b代表系數(shù)；fc代表剪力墻結構強度設計值。

在確定混凝土強度的情況下，N值不變，通過增加剪力墻的截面尺寸，其配筋面積會降低。剪力墻的厚度無法實現(xiàn)無限增加，因此，一味增加剪力墻墻厚不可行。從另外一個角度來看，如果在一定混凝土強度等級的情況下，決定了剪力墻的截面尺寸，增加了外部合力，就會增加剪力墻的配筋量[8]。因此，在受到較大外部荷載時，需要對這些因素進行全面分析，可以在增加墻體厚度、增加混凝土標號的情況下，結合結構的安全性和配筋率對其進行調(diào)整。具體而言，將墻體厚度開始優(yōu)化的邊界線設定在最大位移上延一層的位置上，一方面可以強化中間薄弱層，另一方面可以減輕上部結構重量，得到一種造價更低、結構更合理的優(yōu)化方案。

3 抗震性能分析

高層剪力墻結構的抗震性能測試是一項重要的實驗工作，其主要目的是評估剪力墻結構在地震作用下的反應和表現(xiàn)，因此，在完成上述設計后，進行地震波與實驗的準備。準備相應比例或全尺寸的剪力墻模型，并確保模型的制作符合相關標準和規(guī)定。在模型的適當位置安裝傳感器，以監(jiān)測地震動和剪力墻的變化情況，通過振動臺或相似設備模擬地震動，使剪力墻模型受到地震力的作用。記錄地震過程中剪力墻的參數(shù)，并分析這些參數(shù)的變化情況，觀察剪力墻在地震作用下的破壞情況，包括裂縫分布、位移量等，評估其抗震性能。

3.1 地震波錄入

地震是目前科學難以準確預測的一種自然現(xiàn)象，具有很強的不確定性，因此，在分析地震對建筑物的影響時，除常規(guī)地震動外，還應考慮罕遇地震動。在此基礎上，應選擇特定的地震波，并在此基礎上進行罕遇地震作用的計算。對于同一種結構，在進行動力時程分析時，由于地震動的不同，其影響也是有差異的。為確保計算成果的可靠，必須按規(guī)范要求選取地震動波形；在時域分析時，應結合建設場地類型及震害類別，選用真實強震波形及人工仿真加速度時程曲線，確保地震記錄數(shù)目不少于2/3；在彈性時程分析中，各時程曲線的底部剪力不得低于振型分解響應譜的65%，多個時程計算得到的最大底部剪力不得低于80%。

相同的地震波，對于不同結構的建筑物來說，其所承受的地震動也是不同的。所以，地震波場的選取也應考慮三個要素：幅值、地震動頻譜特征、地震動時程。在地震庫中選擇A、B 兩種地震波作為測試波，將其命名為DZ-1、DZ-2，具體描述見表1。

表1 A、B兩種地震波的主要信息

對DZ-1、DZ-2 的加速度時程曲線進行分析，如圖5所示。

圖5 DZ-1、DZ-2的加速度時程曲線

3.2 地震波錄入條件下剪力墻的頂點位移分析

確保DZ-1、DZ-2 滿足并符合測試需求后，繪制DZ-1、DZ-2 作用下的高層剪力墻結構X 向、Y 向頂點時程曲線，將其作為檢驗地震波錄入條件下，剪力墻頂點位移分析的依據(jù)。其結果如圖6、圖7所示。

圖6 DZ-1錄入條件下剪力墻X向、Y向頂點時程曲線

圖7 DZ-2錄入條件下剪力墻X向、Y向頂點時程曲線

從圖6、圖7 中的頂點時程曲線可以看出，在相同地震波錄入條件下，優(yōu)化設計后的剪力墻X 向、Y 向頂點位移＜優(yōu)化設計前的剪力墻X向、Y向頂點位移，即優(yōu)化設計后的高層結構頂點時程曲線波幅顯著小于優(yōu)化設計前的高層結構頂點時程曲線波幅。由此可以說明，按照規(guī)范進行剪力墻結構的優(yōu)化設計，可以提高整體結構的抗震性能，以此種方式保證結構具有較強的抗震能力。

4 結語

為了提升高層建筑的整體性能和安全性，需要在剪力墻優(yōu)化設計時充分考慮各種因素，包括結構類型、材料選擇、施工工藝等。通過科學合理的剪力墻優(yōu)化設計，有效提升高層建筑的經(jīng)濟效益和社會效益，為人們創(chuàng)造更加安全、舒適、便利的生活和工作環(huán)境。通過此次研究，明確了剪力墻優(yōu)化設計和抗震性能是高層建筑質(zhì)量和安全的重要保障。在未來的研究中，需要進一步探討如何提高剪力墻的抗震能力，實現(xiàn)結構的可持續(xù)發(fā)展，同時利用先進的計算和分析方法，為高層剪力墻結構的設計帶來更多可能性。