概述高层剪力墙建筑结构的多目标优化

概述高层剪力墙建筑结构的多目标优化

邹月强

黑龙江省食品医药设计院有限责任公司

摘要：随着经济和社会发展的需求及城市人口密度的持续增长，高层建筑已经成为城市建筑的发展趋势。为满足高层建筑的抗震性和经济性，对高层建筑结构的研究具有重要的理论和实践意义。对同一建筑而言，不同的结构墙体布置，其经济指标差异很大，主要是混凝土用量和含钢量的差距很大。结构优化设计涉及内容很多，本文仅结合实际设计工作经验和学习体会对高层建筑剪力墙结构的优化设计进行介绍。

关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化

一、高层建筑剪力墙的特点及分类

高层建筑在其结构设计阶段十分重要，需要考虑水平荷载、轴向变形、建筑物的侧移、结构的延性等方面的因素。对于水平荷载需要注意两个方面的因素，其一，对于一定高度楼房，竖向荷载基本上是定值，作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有大的幅度的变化。另外一方面，因为楼房的自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值，与楼房高度成正比，而水平荷载对结构产生倾覆力矩，及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的二次方成正比。对于高层建筑的轴向变形，主要考虑构件剪力和侧移产生较大的影响，与考虑构件竖向变形相比较，会得出偏于不安全的结果。

1.实体墙

实体墙是指没有开洞或开洞的面积小于整个墙体面积的15%。其受力的特点是像一个悬臂墙。其弯矩图既没有突变，也没有反弯点，整个墙体的变形是以弯曲型为主。

2.整体的小开口剪力墙

主要是指开孔的面积虽然大于整个墙体的面积的15%，但是仍然属于小面积开孔的墙体，其受力的特点就是弯矩图的连接梁的地方发生突变，在高度上没有反弯点，或仅在个别的楼层有反弯点。

3.双肢或者多肢剪力墙

双肢或者多肢剪力墙指开洞比较大或洞口成列布置的墙体，其受力特点是和整体的小开口的剪力墙相似的。

4.壁式框架

壁式框架指洞口的尺寸比较大，而连接梁线的刚度和墙肢线的刚度比较接近的墙体。其受力特点是弯矩图在楼层的地方发生突变，而且在大多数的楼层中都会出现反弯点。

二、高层结构的剪力墙结构原理

一般建筑物中的竖向承重构件都是由墙体承担的，这种墙体既要承担水平构件传来的竖向重力，还要承担风力或地震作用传来的水平方向的作用力。剪力墙由此而生，这种墙体除了最基本的能避风避雨外，还能抗震。高层的剪力墙是建筑物的分隔墙和围护墙，在设计墙体的时候，要考虑平面布置和结构布置两方面的因素，需要同时满足这两方面的要求。高层建筑的剪力墙结构体系要求有很好的承载能力，并且要具有较好的整体性和空间性能，相对框架结构而言，剪力墙要有较好的抗侧能力，那么对于高层建筑就需要选用剪力墙结构。高层建筑的剪力墙结构优点有侧向刚度大，在水平荷载作用下侧移小，但是其缺点是剪力墙的间距有一定限制，建筑平面布置不是很灵活，不适合要求大空间的公共建筑，另外结构自重也较大，灵活性相对而言比较差，一般适用住宅、公寓和旅馆。剪力墙结构的楼盖结构一般采用平板，可以不设梁，所以空间利用比较好，可以节约一些高层建筑的成本。

剪力墙所承受的竖向荷载，一般是结构自重和楼面荷载，通过楼面传递到剪力墙。竖向荷载除了在连梁（门窗洞口上的梁）内产生弯矩以外，在墙肢内主要产生轴力。可以按照剪力墙的受荷面积简单计算。框架结构和剪力墙结构，两种结构体系在水平荷载下的变形规律是完全不相同的。框架的侧移曲线是剪切型，曲线凹向原始位置；而剪力墙的侧移曲线是弯曲型，曲线凸向原始位置。在框架-剪力墙（以下简称框-剪）结构中，由于楼盖在自身平面内刚度很大，在同一高度处框架、剪力墙的侧移基本相同。这使得框-剪结构的侧移曲线既不是剪切型，也不是弯曲型，而是一种弯、剪混合型，简称弯剪型。假设有向右的水平力作用与结构，在结构底部，框架将把剪力墙向右拉；在结构顶部，框架将把剪力墙向左推。因而，框-剪结构底部侧移比纯框架结构的侧移要小一些，比纯剪力墙结构的侧移要大一些；其顶部侧移则正好相反。

三、高层建筑剪力墙优化设计方案

1.墙体整体结构设计方案

在对与高层建筑而言，不同的高度对剪力墙的使用效果有不同的保障要求，对与在21层以上的建筑，剪力墙不能按照传统的断肢结构设计为主要方案。要对整体墙体进行结构再设计阶段，探索如何通过现有施工条件基础上进行墙体合理科学化的改进构建。进而在传统断肢剪力墙不能更稳定应用在更高层进行调整，在对超高层建筑上要进行力学称重的准确核对和严格判定，不能按照多层建筑的要求和设计标准进行。要考虑整个墙体在面对超高层承载压力增大，稳定要求增高的程度中合理对需要的墙体厚度和位置布局设计和相应的架空格局设计都要进行设计方案的确立。对需要进行的施工费用的追加和局部的再调整都要依照降低成本费用的考虑中提高质量系数。

2.剪力墙承载面结构优化

在剪力墙结构优化设计中，承载面一定哟啊进行优化设计，对刚硬度系数要布置均匀以及受力承载是否稳定进行考虑。在局部门窗设计是要保持对齐和对称状态，尽量在同一面保持横列。剪力墙结构的强肢和相应的构成单元才可以明确和清晰，布局和应力也更趋于合理。同时，在设计中的计算图数要一致，每个洞口的开设要考虑涉及墙体结构的稳定。避免随意开洞和破坏架构的情况发生。出现不合理的开洞处要及时进行修补和支撑体的再次构建，才能保证整体剪力墙设计的合理。

3.剪力墙之间要看成独立体

剪力墙是需要极强的设计方案周期才能确立施工的，不能按照统一的整体进行设计考量，要看做每个单独体进行设计考量。对每个节段要在相应的截面和整体高度进行控制和布局，避免比值数值的增大，一旦出现高度和截面的比值增大会出现剪力墙的实际效果降低，硬性降低的危险。同时在出现抗震方案设计中要对每个墙肢体机和洞体进行合理布局调整，每个局部细节的墙肢体和洞体都会对整个剪力墙构成一定影响，需要在方案设计中特别注意。

4.控制剪力墙墙体的数量和提高其配置钢筋数

剪力墙在高层建筑中相应数量的大小对于整个施工的成本和工程质量等多方面具有直接影响，大数量的剪力墙会造成空间体的减少并且整体建筑的重量增大。各结构的支撑压力会增高，高层建筑面临倒塌的风险，小数量的剪力墙造成支撑力不足，墙体裂缝的产生。如何在设计中正确把控剪力墙墙体的数量是关键。同时，大多数剪力墙都是需要配钢筋进行的，钢筋的结构延伸性能高低对与强体结构是否合理和质量稳固具有直接影响，在设计方案中要对配置钢筋数进行估算，不能出于成本考虑随意降低钢筋配置数。

5.剪力墙设计方案需要准则相应的建筑规范要求

剪力墙在结构设计中对水平移动和垂直移动和抗震系数都要保障严格规范符合设计要求，不能凭主观意识对设计方案任意规划和制定。要对工程实践经验和丰富的建筑理论知识结合进行，符合国家对各指标系数的要求和合理规范范围内进行，符合高层建筑整体国家系数要求才是施工的关键。

结语

随着建筑行业的大力发展以及人民生活追求的不断提高，给建筑设计的复杂性带来了更大的挑战，从而为建筑结构设计带来更大的难度。这种变化已经给结构师们对高层民用建筑的设计带来了许多新的课题和更高的挑战。一套完整的高层剪力墙结构多目标优化流程，可以实现高层剪力墙结构的准拓扑优化和墙尺寸优化，并通过工程算例验证了其实用性，初步实现了对高层剪力墙结构体系和尺寸的优化，弥补了传统工程设计的不足，为实现自动化、智能化结构设计提供了切实可行的思路。

参考文献：

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