刘江 LIU Jiang
（中国中建设计集团有限公司辽宁分公司，沈阳 110015）
（Liaoning Branch of China Construction Engineering Design Group Corporation Limited，Shenyang 110015，China）
摘要： 本文针对某建筑工程高层剪力墙结构，对高层剪力墙结构优化前后方案整体性能对比，分别从结构模型对比、结构动力特性、结构变形特性、结构内力特性进行了对比分析，经过优化设计结构性能得到普遍改善，验证优化设计必要性和有效性。
Abstract: For the shear wall structure of high-rise buildings, this paper compares the overall performance of the shear wall structure program of high-rise buildings before and after optimization from structural model comparison, structure dynamic characteristics, structural deformation characteristics, structural internal force characteristics. After optimization design, the structure performance is generally improved, so the necessity and effectiveness of the optimized design is proved.
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ： 高层建筑；结构优化；剪力墙
Key words: high-rise buildings；structural optimization；shear wall
中图分类号：TU398+.2 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）06-0135-02
1 工程概况
本工程为某小区18层剪力墙住宅楼，结构形式为纯剪力墙结构，建筑总高度为54m，总建筑面积约为7746.4m2。地上18层，地下一层，地下室层高3.6m，其余层高均为3.0m。室内外高差300mm。本工程以五十年作为基准期，结构重要性系数取1.0，场地类别属三类。7度设防，地震加速度为0.10g，地震分组为第二组，水平地震影响系数0.08，特征周期为0.55。本工程为总高度54m剪力墙结构，属于A级高度房屋，剪力墙结构抗震等级是三级。
2 设计参数选取
设计参数正确选取直接影响结构计算的准确性，为使目标计算模型最大限度模拟实际工程真实情况，对软件中要进行输入各类参数精确，依据最新规范根源出处进行设置，SATWE计算结果有效性是建立在计算参数正确合理性基础上，重要参数最大地震作用方向,本工程该数值小于15；振型组合数15；结构基本周期，在进行结构设计前不能预先确定，利用软件中缺省值进行试算；周期折减系数，结合非承重墙体布置数量，周期折减系数取为规范推荐值0.9；连梁折减系数0.7；连梁折减系数，梁刚度放大系数在1.0-2.0区间内自由取值。SATWE计算软件自动判断中梁及边梁并加以区分，对符合要求中梁刚度进行放大，程序会自动计算。
3 优化前后方案整体性能对比
3.1 结构模型对比 为得到较好研究效果，本文设计两个结构方案均满足规范。根据上文总结对剪力墙数量和布置优化理论和方法，对第一个结构方案进行优化。根据剪力墙“对称、金角银边、均勾、分散”优化原则，剪力墙布置在角部对结构最优，其次是周边，对墙梁板截面尺寸及位置，软件计算参数等多方个方面对该方案进行优化。保留刚度变化位置、楼梯间、电梯间、角部周边部分有利于结构部分剪力墙，将剪力墙墙肢尽量做成工型、T型，削弱结构中心部分墙肢刚度，适当调整部分剪力墙墙肢长度，将优化后各构件及布置整合而成为优化后结构模型。
3.2 结构动力特性分析
3.2.1 周期 经过SATWE有限元计算后检查计算结果合理性后，从文本文件输出中“周期振型地震力”项目中找到两个模型周期数值，通过优化数据可以看出优化前结构周期均处于O.0432-1.2359范围内，优化后结构周期均处于0.0621-1.6367范围内，在各个阵型工况下经优化后结构周期较之前周期普遍得到延长。针对于结构平动系数，优化前方案结构属于单一方向纯平动情况很少，推定结构扭转效应明显，优化后结构结构振动情况均己调整为纯X方向或纯Y方向平动，扭转效应较弱。优化后模型振动明显优于前者。
3.2.2 振型 根据振型分解反应谱法计算出两模型结果如下：原模型X向有效质量系数为99．50％，Y向有效质量系数为99．50％；优化后模型X向有效质量系数为99．50％，Y向有效质量系数为99．50％；优化前后模型有效质量系数均满足规范要求。本文取结构前6个有代表性的振型进行叠加得到结构质心振动简图，对于优化前投影阵型，两个方向摆动幅度与大致图形相似，但Y方向投影阵型与X方向投影阵型相比更为收敛；对于优化后投影阵型，两个方向摆动幅度与大致图形相似度极高，两方向投影阵型比较收敛。两模型在两个方向刚度相差不大，但优化前模型与优化后模型振动相比阵型更加发散，判断优化后结构更利于抗震。
3.3 结构变形特性分析
3.3.1 层间位移角 在SATWE计算结果文本文件中，对各种工况作用下层间位移角数据均有显示，在风荷载及地震作用工况下进行优化前后结构层间位移角，风荷载工况下本结构X方向层间位移角远远小于Y方向层间位移角；地震工况下引起层间位移角数值都比较接近，说明两方向刚度分配合理。风荷载作用下最大层间位移角远远小于地震作用下层间位移角，两模型都是在地震作用下工况下出现最大层间位移角，说明在本工程中地震作用是结构性能明显控制变量。地震工况下原模型在两个方向最大层间位移角分别为1/1689和1/1586，与规范给出层间位移角限值1/1000存在差距，说明整体刚度偏大，安全储备过多。优化后结构地震工况下两方向最大层间位移角分别为1/1324及1/1221，相对于优化前模型数值有所增加,满足规范要求。
3.3.2 位移比 根据规范要求，本工程位移比不宜超过1.2。位移比能有效保证结构平面规则性，使结构可以避免扭转。两模型数值都在1.06-1.22范围内，最大位移比均满足规范上限1．5要求。优化前模型在XY两个方向最大位移比存在一定差距，优化后模型两个方向位移比基本相同且己控制在1.2范围内，表明经过优化后结构平面较优化前规则性更强。
3.4 结构内力特性分析
3.4.1 墙肢轴压比 SATWE软件采用数学微元法进行处理计算，将全部不规则墙肢切割为无数矩形微元墙段，对各矩形截面轴压比进行计算，对所有结果进行微分求解其总体墙轴压比。
本工程剪力墙为三级抗震墙，剪力墙墙肢轴压比限值为0.6，本文选取优化前模型和优化后模型结构最底层轴压比进行比较，前者各墙肢轴压比均在0.20-0.45范围间，优化后者墙肢轴压比控制在0.33-0.60范围间，满足规范要求，可以达到预期延性破坏。
3.4.2 层间内力分析 分析结构内力前对比结构各楼层单位面积质量分布。结构总计算内力包括荷载作用下内力计算和在地震工况下内力计算，内力大小直接影响计算配筋大小，影响构件控制截面及混凝土强度。实现延性剪力墙强墙弱梁、强剪弱弯设计原则。结构在地震作用下层间剪力和弯矩值进行统计。
通过结构优化，结构总重量减轻且都处在规范的推荐值之内，对结构性能很有利。结构重量减轻会直接减小结构内力降低结构构件计算配筋，同时还能降低结构地震力，可见结构优化设计成效好。
4 结论
在结构动力特性方面，通过对优化前后结构由结构自振周期对比可知，当结构自振周期比规范上周期经验公式计算所得结果小，说明结构整体刚度偏大。结构在两个方向上平动周期不接近时，说明结构XY向刚度存在一定差异，需要进行修改。在满足规范前提下通过减少部分剪力墙使刚度降低，结构增大周期。本工程最大层间位移角影发生在风荷载作用下，说明风荷载对7度区高层建筑结构性能起控制作用。在结构内力特性方面，如结构轴压比与规范限制偏差较大时，说明结构没有充分发挥剪力墙力学性能。结构轴压比越接近于规范限值，结构越经济。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献：
[1]南建林，云武．混凝土剪力墙结构类型的选择[J]．建筑结构学报，2012，36（10）：28-34.
[2]钟建兴．关于高层住宅剪力墙结构结构设计的一些探讨[J]．企业科技与发展，2010，16（26）：124-126.
[3]王涛．高层住宅剪力墙结构结构设计与研究[J]．山东大学学报，2008，10（7）：106-108.
[4]王全凤．剪力墙最优刚度及其计算机实现[J]．华侨大学学报，1999，20（3）：249-253.