高层剪力墙结构分段缩短剪力墙墙肢长度优化方法的分析探索

高层剪力墙结构分段缩短剪力墙墙肢长度优化方法的分析探索

李晓伟

广州大学建筑设计研究院 510620

摘要:本文从提高剪力墙结构上部楼层剪力墙刚度以及材料强度利用率的角度出发，并结合实际工程设计经验，对从结构层间位移最大楼层开始沿层数自下而上缩短剪力墙墙肢长度的结构优化方法进行了分析研究，得出了剪力墙墙肢长度单次缩短时不会对结构造成刚度突变的合理比例值以用于指导实际应用。

关键词：高层住宅剪力墙结构，剪力墙墙肢长度，结构优化设计，PKPM-SAUSAGE

0引言：剪力墙结构因其良好的竖向承载能力及其很大的抗侧移刚度、并具备较好的延性，已成为高层住宅建筑中最主要的结构型式。剪力墙占剪力墙结构结构用钢总量的比例为50%~70%，因此剪力墙是开发商的重点优化对象。

现有剪力墙结构优化的重点主要在剪力墙平面布置上面，本文则以剪力墙位置受限、剪力墙厚又无法加大的高层住宅剪力墙结构上部楼层的剪力墙墙长作为优化设计的研究对象,探索底部剪力墙长不变、缩短上部楼层剪力墙长的优化方法。

1. 研究对象：

通常高层住宅剪力墙结构其楼层变形在水平荷载作用下变化曲线如下图：

图1.1整体剪力墙结构楼层变形曲线

通过上图不难看出最大层间位移角以上楼层的剪力墙抗侧刚度应该有一定的可优化空间。因此，本文从高层住宅剪力墙结构最大层间位移角所在楼层以上的剪力墙着手，通过计算分析研究如何通过适当缩短该部分剪力墙长以减弱该部分楼层结构刚度使上部剪力墙的变形更加趋向均匀，使剪力墙有效利用率更高，对于整体而言结构刚度减弱的同时结构所受地震作用也将相应减弱。

2. 剪力墙长度可缩短幅度的分析研究

选取对剪力墙长变化的影响相对而言较为敏感的单跨剪力墙结构作为整体变形规律分析对象，采用设计院常用空间有限元计算软件PKPM-SATWE对对25层及33层（层高均为3米）两种常见楼层高层剪力墙结构优化前后变形变化规律进行研究，并利用弹塑性分析软件PKPM-SAUSAGE论证在不造成剪力墙损伤和产生刚度突变的前提下剪力墙长单次可缩短幅度的长度范围。

2.1工程概况

抗震设防烈度：7度（0.1g地震加速度），场地类别：Ⅱ类，场地粗糙度：B类，

50年一遇基本风压：0.50kN/㎡ ；周期折减系数：0.9 ； 模拟施工加载3 。

图2.1 结构平面布置示意图

2.2 SATEWE模型计算分析

通过模型试算结果可知双向地震作用下Y方向的最大层间位移角所在楼层，并

分别于楼层位移最不利的最大层间位移角所在楼层开始分别缩短该层及以上的剪力墙长L/8L、L/4及3L/8进行计算，分别汇总双向地震作用和风荷载作用下Y方向层间位移角变化曲线，详见表图2.2、图2.3：

图2.2 层间位移角变化曲线（总楼层：33层）

图2.3 层间位移角变化曲线（总楼层：25层）

由以上结果可以看出，当剪力墙缩短长度为L/8时，结构整体位移变化曲线相对比较平滑，超过L/4为3L/8时层间位移角变化曲线则会在剪力墙长变化的楼层出现较大幅度的突变，此时剪力墙长度的缩短对剪力墙结构楼层的刚度的削弱很大，造成了很明显的上下层剪力墙刚度的突变。底部楼层层间位移角会随着上部剪力墙缩短幅度的增大而变小，由此底部楼层所受水平地震力作用已随上部楼层的剪力墙的缩短而减弱了。

2.3 剪力墙结构在罕遇地震下剪力墙的损伤分布研究

采用PKPK-SAUSAGE软件对优化前后的四个算例进行动力弹塑性分析。图2.4给出33层剪力墙结构模型的四个算例剪力墙受压损伤分布，随着剪力墙缩短长度的不断增加（模型从左到右），剪力墙长度变化部位越容易出现应力集中。

图2.5为33层剪力墙结构模型的四个算例剪力墙受拉损伤分布，随着剪力墙缩短长度的不断增加（模型从左到右），不仅仅是剪力墙长度变化部位，还有顶部的那些墙肢，均越容易出现应力集中。

（a）初始模型 （b）缩短L/8 （c）缩短L/4（d）缩短3L/8

图2.4 剪力墙结构受压损伤分布（总楼层：33层）

（a）初始模型 （b）缩短L/8 （c）缩短L/4（d）缩短3L/8

图2.5 剪力墙受拉损伤分布（总楼层：33层）

图2.6给出25层剪力墙结构模型的四个算例剪力墙受压损伤分布。对于层数不多的话，随着剪力墙缩短长度的不断增加（模型从左到右），剪力墙长度变化部位的受压损伤不太敏感。

图2.7为33层剪力墙结构模型的四个算例剪力墙受拉损伤分布。可见，随着剪力墙缩短长度的不断增加（模型从左到右），不仅仅是剪力墙长度变化部位，还有顶部的那些墙肢，均越容易出现应力集中。

（a）初始模型 （b）缩短8/L （c）缩短4/L （d）缩短3L/8

图2.6 模型B的剪力墙受压损伤分布（总楼层：

25层）

1. 初始模型 （b）缩短8/L （c）缩短4/L （d）缩短3L/8

图2.7 模型B的剪力墙受拉损伤分布（总楼层：25层）

2.4 结论

通过SATWE的位移变形曲线结果对比及SAUSAGE对结构的损伤情况分析可以初步得出以下结论：对于单片剪力墙，其一次可缩短的幅度不宜超过L/4。当剪力墙长一次缩短幅度过大时，剪力墙截面变化部位在大震作用下会出现应力集中对变截面位置的剪力墙产生一定程度的破坏；综合上文2.2节对于剪力墙长一次缩短最小幅度的分析，高层住宅剪力墙结构上部楼层剪力墙长一次可缩短的幅度宜为L/8~L/4（L为初始剪力墙长）。

3 结束语

剪力墙墙肢长度从层间位移最大的楼层沿楼层自下往上逐渐缩短的优化方法是可行的，参照（对于剪力墙长变化的影响相对而言较为敏感的）单跨剪力墙结构 的分析结果，单跨剪力墙结构全部墙肢长度缩短不超过L/4（L为剪力墙墙肢长度）时，剪力墙墙肢起始缩短的部位不会因为剪力墙墙肢截面的变化而造成刚度突变、对该部分结构造成损伤；基于实际工程中也只有一部分墙肢长度能够在上部楼层缩短，因此实际工程中上部楼层可优化墙肢长度缩短幅度不超过L/4，其刚度变化程度会比本文的设定极端情况小很多。所以，本文上述的分析结果对于该优化方法在实际工程中的应用具有一定的指导意义。

参考文献

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