王振涛 梅利芳
摘要：指出了高层建筑在设计阶段，往往会存在结构构件布置不合理的地方，在建筑完工后会存在一定的安全问题，并且竣工的实际费用与施工前的预算费用有一定的差别，因此在前期结构设计的过程中，结构的优化设计起着至关重要的作用。使得剪力墙布置方案更加合理，结构构件的受力更加明确，对结构的设计具有重要的作用。根据剪力墙设计的影响因素，从剪力墙墙肢的长短、剪力墙的数量以及剪力墙的厚度方面进行了优化分析，得出了在剪力墙优化设计的过程中该因素对高层剪力墙设计具体的影响结果，为剪力墙优化设计提供具体的优化方向。
关键词：剪力墙;SATWE分析;优化设计
中图分类号：TU973
文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2020）14-0218-02
1 引言
改革开放以来，我国的经济取得了快速发展，城镇化速率越来越快，然而随着我国城市人口的逐渐增多，城市面积不足的问题日益凸显，为了解决这一问题，城市的建筑不得不由低层向高层发展。在高层建筑剪力墙结构设计的过程中，剪力墙的设计对整体结构的影响因素比较大，因此剪力墙的优化设计也是高层建筑设计过程中的关键所在。
2 剪力墙结构的概述
在国内高层建筑的定义有着不同的标准，美国标准定义：高度超过24.6 m或者建筑的层数达到7层以上的建筑就是高层建筑;日本对高层建筑的定义：建筑高度超过31 m或者建筑的层数达到8层以上的建筑就是高层建筑;而我国认为建筑高度超过28 m或者建筑层数在10层以及10层以上的建筑就是高层建筑。高层建筑结构主要分为框架结构、框剪结构、剪力墙结构以及框筒结构等。在高层剪力墙结构中的剪力墙又称为结构墙和承重墙等，在结构中主要承受来自于水平方向的地震力和风荷载以及竖直方向的荷载，防止结构发生受弯破坏和受剪破坏。
剪力墙的类型可以根据其高厚比进行分类，当剪力墙的高厚比5≤hw/bw≤8时，此时的剪力墙称为短肢剪力墙;当厚度比hw/bw>8时，此时的剪力墙称为普通剪力墙;当厚度比2≤hw/bw≤4时，此时剪力墙称为异形柱，异形柱主要应用在框架结构中。剪力墙的分类也可以根据剪力墙上洞口的大小进行分类，可以分为整体截面墙、整体小开口墻、联肢墙和错洞墙等。整体截面墙的墙体上没有洞口或者洞口的面积很小不足于对剪力墙造成影响;剪力墙上洞口的面积很小，所占墙体的面积大于15%小于30%，此时的剪力墙被称为整体小开口墙;当剪力墙上的洞口不是均匀对称，而是上下错洞布置的，此时的剪力墙被称为错洞剪力墙。
3 剪力墙受力分析
在高层建筑剪力墙结构常见的是整体截面墙，墙体在水平方向的外力作用下发生弯曲变形，弯曲变形引起的位移为um（y）。整体截面墙在外力均布荷载下的受力简图如图1所示。
剪力墙的受力可以看作在均布荷载q下一端固定一端自由的杆件结构，可以得出在杆件端部位置弯矩的大小M=qH2/2，根据单位力法计算原理，在单位力F=1作用下，在任意位置处墙体在外力作用下的所引起的位移um（y）。
式（1）中：Mp（y）为均布荷载q作用下的弯矩，M1（y）为单位力作用下的弯矩。
由式（1）计算得出：
式（2）中：E是弹性模量，I是截面惯性矩，EI为抗弯刚度。
4 剪力墙优化设计措施介绍
本文以位于郑州市惠济区的融创瀚海5#楼为研究对象，根据建筑图布置几种不同的剪力墙布置图，根据几种不同的剪力墙结构分别进行计算分析得出剪力墙的几个影响因素。方案一是在建筑图的基础上没有考虑墙体的数量和墙肢的长短，在隔墙位置处布置上了剪力墙;方案二综合考虑了剪力墙的数量、墙肢的长度以及连梁的跨度这些因素布置了剪力墙。然后利用STAWE对两种不同的方案进行计算分析，得出剪力墙的数量、墙肢长度以及厚度对结构有怎样的影响。
4.1 方案一、二周期对比分析
根据模型的计算结果，方案一和方案二的周期对比图如图2所示。
从对比图中可以看出：方案一的周期大于方案二的周期，可以得出在相同的外力作用下，方案二的刚度大于方案一的刚度。从剪力墙变化的角度去分析，方案一相比于方案二剪力墙的变化是剪力墙的墙肢变短，局部有T型截面转变为L型截面。根据《高规》规定：“结构扭转的第一振型周期与平动的第一振型周期之比应小于0.9”。因此，在剪力墙优化设计的过程中，当结构的这个计算参数不满足要求的时候，可以通过修改剪力墙的数量以及剪力墙墙肢的长短来满足计算结果的要求。
4.2 方案一、二层间位移、层间位移角对比分析
楼层的层间位移在外力的作用下，每层位移的相对值，也直接的反应了楼层刚度大小，两方案的层间位移计算对比图如图3所示。
在地震力的作用下，方案一的层间位移大于方案二的层间位移，根据层间位移的原理可以得出方案一的楼层刚度小于方案二的楼层刚度，因此可以得出剪力墙结构的布置图中剪力墙的数量以及墙肢的长短会对楼层的层间位移产生影响。层间位移角的定义：楼层的层间位移与楼层层高比值的大小就是层间位移角。《抗规》规定：“剪力墙结构中楼层的最大层间位移为1/1000，因此在结构设计的过程中，当楼层的某一层的任何一个节点处的层间位移角不足的时就说明了在该节点处结构构件的刚度过小，导致层间位移角不满足规范要求”，因此在不影响建筑使用功能的前提下，通过改变剪力墙的墙肢长度或者剪力墙的数量来增大该节点处的刚度，使得结构的层间位移角满足规范要求。
4.3 方案一、二内力对比分析
根据《高规》规定：A级高度的高层建筑中楼层的受剪承载力不宜小于上一层的80%，不应小于上一层的65%，B级高度中楼层的受剪承载力不宜小于相邻上一层的75%，并且结构的受剪承载力无突变。方案一和方案二的受剪承载力计算对比如图4所示。
从图4中可以看出：楼层一的受剪承载力大于方案二的受剪承载力，根据楼层受剪承载力的定义可知，受剪承载力主要是判别楼的薄弱层，防止结构发生受剪破坏，因此在结构优化设计的过程中，当楼层的受剪承载力不足时，可以通过调整剪力墙的数量或者剪力墙墙肢的长度来使得楼层的受剪承载力满足规范要求。
在另一个方面内力倾覆力矩的对比分析中，优化后方案二的倾覆力矩比未经过优化方案一的倾覆力矩小，根据倾覆力矩的定义可知，当结构的构建尺寸一样时，倾覆力矩越大，所配置的钢筋量也越大，所以经过优化后的方案二比方案一的配筋小，也符合结构设计过程中的“经济性”原则。
5 结语
未来，城市中的高层建筑结构会越来越多，因此高层剪力墙结构的设计在城市发展的道路上起着至关重要的作用，然而在优化结构的过程中，完成结构的优化设计既是对自己的要求，也是对社会的负责。
通过上述几个方面的对比分析图中可以得出，在高层剪力墙优化设计的过程，剪力墙数量的减少、剪力墙墙肢的减短都会使结构的振型周期变大，结构的层间位移以及层间位移角也会受到剪力墙数量以及墙肢长短的影响，具体的影响是：当剪力墙的数量减少或则剪力墙墙肢的长度减短时，楼层的层间位移以及层间位移角都会增大，反之会较小。在内力方面的指标，剪力墙的数量和墙肢的长短会对结构的内力造成一定的影响。因此，在结构优化设计的过程中，当结构的整体计算结果不满足规范要求或者不是最优时，就可以通过调整剪力墙的数量或者剪力墙墙肢的长度来完成结构的优化设计。
参考文献：
[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范：GB50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010：131～132.
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