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摘要：我国高层住宅混凝土结构主要采用剪力墙结构，其结构优化设计主要分为方案阶段优化、扩初阶段优化、施工图阶段优化。分析了剪力墙结构布置的优化的原则和要点，标明通过优化可以达到节材抗震的效果。
关键词：高层；住宅建筑；结构优化；设计研究
导言
随着我国住宅建筑技术的进步和社会对高品质设计的需求，结构优化设计的核心价值越来越凸显。本文从设计过程优化的基本原则、剪力墙结构的布置优化等方面对结构优化进行研究和探讨。
有限的空间、最大限度的资源优化以及考虑安全性和实用性是高层住宅混凝土结构设计优化的基本原则。高层建筑要消耗大量的建筑材料，节省材料用量、控制经济指标成为重要的优化设计内容；混凝土材料自重较大，对抗震不利，所以抗震设计也成为优化设计重要的工作。
一、设计过程优化
设计过程优化是在方案阶段就开始介入，在整个设计过程中，通过重要节点把控的方式，与设计工作同步进行。过程优化是对结构设计、成本控制更为有效、技术论证更容易落地的一种优化形式。一般的过程优化可分为以下三个阶段，方案阶段优化：对建筑方案进行结构方案的可行性评估，对结构方案进行比选，确定最优的结构方案。
扩初阶段优化：分别进行基础结构、地下室结构、上部结构的技术分析和成本分析，形成优化报告供业主确认。
施工图阶段优化：对计算模型参数、配筋原则和构造要求提出优化意见。
二、剪力墙结构的布置优化
现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，抗侧刚度大，承载力大，在水平力作用下侧移小，经过合理设计，能设计成抗震性能好的延性钢筋混凝土剪力墙，在历次大地震中，剪力墙结构破坏较少，表现出令人满意的抗震性能。剪力墙结构在我国国内应用十分广泛，应用最多的是8~34层的高层住宅（＜100m）。剪力墙结构施工方便，但是由于自重大，刚度大，使剪力墙结构的基本周期短、地震惯性力较大。而剪力墙的混凝土用量及含钢量在整个结构体系中所占比重可以达到50~65%，由此可见，剪力墙的布置对结构安全和造价都影响较大。下面从几方面讨论剪力墙结构的优化方法：
1.选择宽度较大，高宽比较小的建筑平面。
建筑结构的高宽比实质是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济性的宏观控制，结构安全与否并不与高宽比大小有直接关系。高宽比大小主要影响工程的经济合理性，同一建筑高宽比越大结构的经济性就越差。
《高程建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010对钢筋混凝土高层结构适用的最大高宽比规定如下表
1.墙肢宜对齐布置，避免错位。
剪力墙构件作为高层剪力墙结构中主要的抗侧移构件，进行结构设计时应充分发挥墙肢间的联动效用，尽量减少墙肢独立抵抗水平作用的情况。因此进行结构布置时，同一方向的墙肢宜均匀对齐布置，在平面上形成多道联肢剪力墙协同工作的模式。
2.减小建筑的不规则性。
建筑平面不规则，会削弱建筑结构的抗扭和抗震性能。为了补偿这种性能的降低，结构上必然要通过加大截面或者采取特殊构造方式进行加强，这势必带来建筑成本的增加，同时也会增加设计难度和设计周期。因此在方案阶段，尤其需要对建筑的规则性进行评价，通过调整方案来改善其合理性。具体操作根据《高程建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010中3.4节“结构平面布置”以及3.5节“结构竖向布置”的相关规定把握。
3.合理选择抗震（温度）缝的设置。
抗震缝是减小建筑平面不规则的有效办法，但对于一些相对规则的建筑可以选择不设缝，而是采取其他的措施来降低不规则性的影响。因为设置抗震缝会带来结构刚度降低，如果需要补偿这种刚度必然要增加墙体，也会带来造价的上升。另一方面，对于超长的住宅建筑，一旦出现裂缝会带来很大麻烦，所以应该慎重对待，不能随意放开规范的限制。如果甲方或建筑坚持，应提示其风险，并采取相关措施。
4.剪力墙应均匀布置，并适当加强边缘位置的墙肢。
剪力墙作为高层建筑的竖向承重构件，均匀布置是减少墙肢间轴向压力差异，避免因受力不均导致基础不均匀沉降的有效途径。此外，建筑结构在满足承受竖向荷载和结构抗侧移刚度的需要外，还应具有一定的抗扭转刚度。加强结构平面两个方向边缘部位的抗侧移构件是增强结构抗扭转刚度，减小结构扭转效应最有效的方法。可以通过适当加强周边剪力墙以及外圈梁来调整结构刚度中心与结构平面几何中心以及质量中心的相对位置，尽可能达到“三心”重合的理想效果。
5.合理确定墙肢长度，减少短肢墙和超长墙。
短肢剪力墙是指截面宽度不大于300mm，截面高宽比在4～8之间的剪力墙。由于短肢剪力墙的延性较差，且构造要求高，钢筋用量较大，经济性较差，结构布置时应尽量避免使用短肢剪力墙。超长墙是指墙肢长度大于 8m 或单片墙肢承受该方向的水平地震剪力大于楼层总剪力 30%的剪力墙。墙肢长度过长，刚度过大，该墙肢承受的地震作用力也会相对集中。该墙肢首先破坏后，容易造成其它剪力墙被各个击破的破坏现象，最终导致整个结构发生倒塌。故进行剪力墙结构布置时应尽量使得各墙肢的刚度相近，避免出现超长墙。
6.优先布置 L 型、T 型墙，少用一字墙。
L 型、T 型等剪力墙因墙肢端部的翼墙起到扶壁作用，稳定性较好，同时剪力墙面外方向的框架梁搭接在翼墙上，钢筋锚固长度容易满足，对框架梁具有较好的锚固作用，故结构设计时宜优先采用，但L 型、T 型等形式的翼墙长度不宜过长，避免造成材料的浪费，影响经济指标。一字墙因其面外稳定性较差，若结构底部墙肢的轴压比较大或面外单边搭接框架梁，则墙肢在地震作用下容易发生失稳破坏，故设计过程中宜尽量少用一字剪力墙。
8.结构布置时尽可能避免剪力墙体“既少也短”的情况，这样它的层间变形特征是剪切形的，而不是弯剪形的，如果一定要这么做，则需要按框架剪力墙和剪力墙两种结构形式进行包络计算。
结语
现如今城市中高层住宅建筑项目结构优化设计越来越被人们所重视，其在高层住宅建筑中的作用也是越来越突出。综上所述，相比传统的施工图优化，过程优化对结构设计的风险、成本风险有较好的把控；通过对高层住宅剪力墙的布置优化，既可以节省材料，又减小地震了作用，达到经济性与安全性的双赢。
参考文献：
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[2]JGJ 3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京 中国建筑工业出版社，2010.
[3]梁兴文 史庆轩，混凝土结构设计[J]．北京 中国建筑工业出版社，2016.
[4]高立人 方鄂华 钱家茹，高层建筑结构概念设计[J].北京 中国计划出版社，2005.
论文作者:郗可1,刘金凤2,王露萱3
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第27期
论文发表时间:2019/8/1
标签：结构论文; 剪力墙论文; 刚度论文; 建筑论文; 北京论文; 方案论文; 阶段论文; 《建筑细部》2018年第27期论文;