湖北省建筑设计院
摘要：在建筑中，进行结构设计的最终目的是要实现建筑安全，而要真正实现建筑安全，在结构设计的时候还要将技术的可行性和各种建筑配合进行综合考虑。本文就高层建筑剪力墙结构优化设计展开研究，主要探讨在优化设计过程中设计原则和设计理念，并提出建设性的设计方案，以期提高剪力墙结构的优化设计水平。
关键词：高层建筑；剪力墙结构；优化设计
1、剪力墙结构体系优化设计原则
1.1 利于抗震，承载能力强
在剪力墙结构体系设计的时候，首先要考虑到其安全性，所以要在设计的时候遵循荷载能力强，有利于抗震的设计原则。在设计中，为了遵循这一设计原则，必须要对剪力墙的适宜刚度和合理数值进行科学考虑。在整个体系当中，剪力墙是最重要的抗震构件，根据以往的经验，在地震中，剪力墙刚度越大，所受的损伤就越小，但是刚度越大，其工程成本也就越高，所以在刚度设计的时候，要把握好尺度，在经济的原则上合理把握剪力墙的数量，使其既满足承载能力的要求，又不会造成额外的成本支出。对于剪力墙数量，一般考虑两个因素，一方面控制结构的水平位移，另一方面就是控制地震力。这二者进行综合考虑数量即可确定。
1.2 材料力学性能明显
在剪力墙结构体系设计的时候，为了发挥结构体系的最大作用，一定要将材料的力学性能考虑在内，这样才能使材料性能在整体结构中充分发挥作用。所以在进行结构优化设计的时候要考虑两方面的因素。①应该尽量的减少小墙肢和短肢墙的数量。在高层建筑中，剪力墙结构的侧向刚度取决于剪力墙的侧移刚度，通过减少小墙肢和短肢墙的数量来发挥建筑材料的力学性能，在设计成本方面会有很大的节省。②在设计中要控制墙肢长度的差异。墙肢长度的差异过大，不利于材料力学的完整性体现，也会影响整个结构体系的受力。
1.3 结构经济合理
为了完成经济合理的设计目标，在设计的时候要进行两方面的考虑。①材料运用的设计。在建筑中材料浪费是造成建筑成本升高的主要原因，所以在剪力墙结构体系的设计中，要做好短肢墙中箍筋和水平分布的钢筋的合并，这种合并设计会使得工程中的钢筋用量减少，但是并不会影响工程质量，是节约成本的重要设计环节。②要合理处理剪力墙的开洞。在高层建筑当中，除去必要的门窗洞之外，往往还需要根据结构布置设计结构洞。从优化设计的经济原则考虑，剪力墙尽量设计为长墙，以此来减少结构洞，从而减少建造成本。
2、工程实例分析
2.1概况
某工程为高层建筑混凝土剪力墙结构，这项工程的总建筑面积约12570m2，建筑的总层数为地上32层，局部33层，地下共有2层，楼层的层高均为2.8m，整体建筑的高度是92.4m。此工程的设计基准期为50年，设计的抗震强度是9度。此工程在设计的时候，关于抗震强度的参照依据是当地的抗震设防强度，在整体设计构造上也严格的按照GB50009－2012《建筑结构荷载规范》的要求来进行。
总体来说，此工程在剪力墙结构优化设计方面做了非常到位的工作。
2.2结构方案布置
此工程在结构方案的布置上并没有内收外挑的情况，整体布置具有一致性，只是在屋面层存在着楼板跃层和局部突出的现象。在优化结构整体方案的布置上，建筑竖向刚度的变化主要体现在分段式改变结构构件的截面尺寸和混凝土的强度等级方面，为了方便施工，也为了建筑质量的统一性，改变的次数不宜过多。但是从结构受力的角度来分析，改变次数过少就会造成每次改变的刚度突变，这样的刚度改变对于建筑存在安全隐患，所以在综合考虑的情况下，决定将改变结构构件截面尺寸和混凝土强度等级错开使用，避免出现同楼层的刚度突变。在这样的结构布置下，为了加强建筑物安全，混凝土的强度等级由下而上逐渐递减，一方面是考虑荷载力，另一方面就是考虑混凝土等级的渐变性。
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2.3参数取值设计
为了使得结构设计更加优化，在参数取值上也进行了多方面考虑，最终设计的参数取值如下：就容重方面而言，混凝土容重为27.5kN/m3，钢材的容重为77.0kN/m3，对于梁、柱、墙的主筋和箍筋的强度以及墙分布筋，还有边缘构件的箍筋强度均取用360N/mm2。在阵型组合数方面共采取18个阵型，而将连梁刚度的折减系数取值为0.55。在整个设计中，全部只考虑偶然偏心的影响，而将双向地震作用排除在外。另外就是在计算的时候，通通利用的是平扭耦连的方式进行抗震计算。
2.4结构优化对比分析
在剪力墙结构的对比分析中，通过对设计效果的整体把握，分别从四个方面进行了对比。①楼层的侧移刚度。楼层侧移刚度是剪力墙体系中的重要内容，此次对比是将以往的剪力墙结构和优化设计下的剪力墙侧移刚度进行对比，结果发现在优化结构设计下，虽然剪力墙在材料等方面做除了节省，但是其侧移刚度依然保持着很好的质量安全。②楼层层间位移角的对比。楼层位移角的对比主要是根据GB50045－95《高层民用建筑设计防火规范》的要求对其进行质量方面的比较。③对地震反应力和减震比的对比。④周期比的对比。通过四方面的对比发现，在结构的优化设计下，整个高层建筑的质量安全完全在建筑标准要求之内，而且由于在设计上进行了优化，各方面的水平都具有了显著的提高，也节省建筑成本。
3、剪力墙结构材料用量分析
3.1混凝土用量
在剪力墙结构体系中，普遍采用的是钢筋混凝土的结构，在这种结构之下，混凝土的使用必不可少。但是在优化结构设计中，混凝土的使用量相比未进行优化的设计有了明显的减少，主要体现在两个方面：①在优化结构设计中，由于减少了短肢墙和小墙肢的数量，所以在这方面，混凝土的用量大量减少；②由于优化结构设计充分的考虑了建筑材料的力学性能，所以有一部分混凝土的承重可以通过对钢筋力学性能的分析得到很好的转嫁，在这样的条件下，混凝土的用量也显著减少。
3.2钢筋用量
钢筋混凝土结构中，钢筋是必不可少的材料，在剪力墙体系中，钢筋发挥着重要的作用。由于设计结构的优化，钢筋的使用大量减少，主要也是体现在两个方面。①短肢墙中箍筋和水平分布的钢筋的合并，使得钢筋的使用量减少，这种材料用量的减少，大大降低了材料的成本。②材料力学性能的充分发挥。在结构优化设计中，由于对细节的把握，使得一些边角的处理不再依赖钢筋材料的支持，所以对于边角钢筋材料的使用得到大大的降低。总体而言就是，在优化结构设计中，钢筋的使用恰到好处，而这种结构的优化设计，使得钢筋用量显著减少。
4、高宽比对材料的分析
4.1变化层数改变高宽比
高宽比对于高层建筑材料的整体受力而言具有重要的影响，首先就体现在变化层数可以改变高宽比。对于高层建筑而言，高宽比只有处于相对稳定的结构中，建筑的稳定性才最强，由于建筑层数的增加或者是减少，使得整个建筑的高宽比发生了变化，而这种变化带来的不稳定性无法通过其他形式弥补，只能借助建筑材料的力学性能进行整体受力的平衡，使得建筑保持相对的稳定。也就是说，由高层建筑层数的变化所引起的高宽比，必须要利用建筑材料来进行解决和弥补，而材料的选择必须要满足这种变化的需要。
4.2变化宽度改变高宽比
宽度的变化也会影响高宽比，主要是因为宽度增加，整个建筑中间层面的受力将会出现整体增大的情况。在这样的情况下，必须加强层面中间部分的荷载能力才能保持建筑层面中间的稳定性。要达到这一目的，就必须在层面中间进行材料支撑，所用的材料还要必须满足建筑需求。
结束语
剪力墙结构体系在高层建筑中的使用非常广泛，是因为这种结构体系在建筑方面具有更高的可操作性，而且在质量上也有可靠的保证。所以为了更好地利用剪力墙结构体系，使得剪力墙结构体系的优势得到更大地发挥，在结构设计上进行优化，掌握好各种因素对结构的影响，从而进行结构的科学合理布置和方案的设计实施。
参考文献：
［1］冯运琴．高层建筑剪力墙结构连梁设计中的问题［J］．科技资讯，2013，11（18）：65－66．
论文作者:吴皋
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/13
标签：结构论文; 剪力墙论文; 刚度论文; 建筑论文; 钢筋论文; 材料论文; 混凝土论文; 《建筑模拟》2018年第32期论文;