摘要:近二十年以来，我国混凝土结构高层住宅迅猛发展，剪力墙为最主要的结构形式。结构优化设计直接影响着结构的安全性和经济性，其中，剪力墙数量的确定是最为关键的问题。本文通过对大量工程进行对比分析，提出了一些符合工程需要的优化准则。
关键词:高层建筑剪力墙结构优化布置
Abstract: nearly 20 years, China"s concrete structure high-rise residential rapid development, shear wall as the major structure form. The structure optimization design directly affect the structure security and economy, among them, the number of shear wall is the most determined key problem. This paper carries on the analysis to a lot of engineering, and puts forward some conform to the needs of engineering optimization criterion.
Keywords: high building shear wall structure optimization layout
中图分类号：TU398+.2文献标识码：A文章编号：
剪力墙结构在现代高层建筑应用非常广泛，但对于剪力墙的合理布置，《高层建筑混凝土结构设计规程》没有一个明确的规定，具体布置与截面设计常常由结构工程师根据以往的经验来完成的。所以在没有一个明确的优化设计方法的情况下，工程师出于结构安全、方便设计、缩短设计周期等原因考虑，常常把结构设计的偏于保守，没有充分发挥材料的性能，造成了一定的浪费，这样处理既不经济也不一定真正保证安全。所以，深入开展剪力墙结构的优化设计研究具有重要的工程意义。
剪力墙平面内的刚度很大，而平面外刚度很小。为了保证剪力墙的侧向稳定，各层楼盖对它的支撑作用相当重要。剪力墙的下部一般固结于基础顶面，构成竖向悬臂构件，习惯上称其为落地剪力墙。在抗震设防区，水平荷载由地震作用产生，因此剪力墙有时也称为抗震墙。由于纵横墙相连，高层住宅通常利用楼梯，电梯及竖向管道井等部位设置剪力墙，形成相对完整的筒体。对于单个剪力墙构件，通常有一字形、L形、T形、十字形等。剪力墙上常常因建筑要求开设门窗洞，开洞尽量使洞口上下对齐，布置规则，洞到墙边的距离必须满足一定的要求。
控制剪力墙设计的关键因素包括;(1)结构水平位移，结构水平位移必须满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中3.7.3条规定，剪力墙结构按弹性方法计算的楼层层间最大位移与层高之比为1/1000。过大的侧移会使填充墙，装修等开裂甚至损坏，造成电梯运行困难；同时会产生较大的附加弯矩；(2)剪重比，是地震作用与等效重力荷载的比值。控制剪重比的原因是，当建筑物周期比很大的时候，由震型分解法所计算出的地震效应会偏小，这种情况对长周期的建筑物设计存在非常大的安全隐患。只有水平地震力在合理规定范围内检查位移、内力、配筋情况才有意义。此外剪力墙布置应尽量均匀、对称、贯通全高，并尽可能使结构刚度中心和质量中心重合，以减少扭转对结构抗侧刚度的影响。
结构设计是一项集结构分析，数学优化方法以及计算机技术于一体的综合性技术工作，是一项对国家经济建设和发展有重大意义的工作，同时，亦是一门实用性很强的工作。对于经济实力还不发达的中国，推行能实现资源合理分配、利用，节约建筑造价的结构设计方法是势在必行的，同时也是刻不容缓的。
近几年来，“低碳经济”，“绿色建筑”日益成为公众耳熟能详的热门词汇，其提出的大背景是全球气候变暖对人类生存和发展的严峻挑战。随着全球人口规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因不断为人们所认识。“绿色建筑”是指在建筑的全寿命时期，最大限度的节约能源，保护环境和减少污染，为人们提供健康，适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。它代表一种概念或象征，指建筑对环境无害，能充分利用环境自然资源，并且在不破坏环境基本生态平衡条件下建造的一种建筑，又可称为可持续发展建筑、生态建筑、回归大自然建筑、节能环保建筑等。结构设计优化同样在这方面能有所作为，经过优化的建筑结构，降低了钢筋和混凝土等高耗能产品和不可再生资源的用量。保护环境也就是保护我们自己的生存家园，也是结构设计师义不容辞的责任。
作为一个合格的结构师必须做到以下三个方面：正确的概念设计，深入的计算分析以及细致的构造措施。在低烈度地区，结构变形较小，轴压比也离规定有较大的差异，所以可以认为低烈度地区在非强风荷载作用下，水平力较小，且一般剪力墙结构墙肢布置间距小，轴压比和结构变形均不起控制作用，建筑功能布局，剪力墙构造要求起控制作用。在强震地区，水平力较大，主要起控制因素的是结构变形和轴压比。
高层剪力墙结构设计既要做到满足规范中关于结构水平侧移和地震力的要求，又要做到布置合理，节约成本，鱼和熊掌如何兼得，这不仅是结构工程师日常工作的内容，也是一个难以得到合理答案的命题。本文通过总结、讨论剪力墙结构设计相关的问题并结合自己的工作经验，提出剪力墙结构设计优化的具体方法，详见表1。
表1剪力墙结构设计优化步骤及控制点
计算步骤 步骤目标 建模或计算条件 控制条件及处理
1.建模 几何及荷载模型 整体建模 1.符合原结构传力体系。
2.符合原结构边界条件。
3.符合采用程序的假定条件。
2.计算一
（一次或多次）
整体参数的正确确定 1.地震方向角θ0=0；
2.单向地震作用；
3.不考虑偶然偏心；
4.不强制全楼刚性楼板；
5.按总刚分析；
6.短肢剪力墙时定义为短肢墙结构。
1.震型组合数→有效质量参与系数>0.9吗？→否，则增加震型数，直到满足为止。
2.最大地震作用方向角θ0-θm>15°吗? →是，输入θ0=θm；否，输入θ0=0。
3.结构自震周期，输入值与计算值相差>10%时，按计算值改输入值。
4.短肢墙承担的抗倾覆力矩比例50%吗？→是，规范不允许，修改设计。
3.计算二
（一次或多次）
判定整个结构的合理性 1.地震方向角θ0=0，θm；
2.单（双）向地震作用；
3.考虑偶然偏心；
4.强制全楼刚性楼板；
5.按侧刚分析；
6.按计算一的结果确定结构类型和抗震等级。
1.周期比控制；Tθ/T1≤0.9(0.85) 吗?→否，修改结构布置，强化外围削弱中间。
2.层位移比控制；[△Um/△Ua, Um/Ua]≤1.2吗?→否，按双向地震重算。
3.层受剪承载力控制；Qi/Qi-1 0.65（0.75）≤Qi/Qi-150%吗？→是，规范不允许，修改设计。
4．计算三
（一次或多次）
结构优化设计
结构整体优化设计
1.保持电梯间和外墙窗洞口较多处剪力墙不变，因为电梯间处剪力墙有类似核心筒的作用，对结构抗震性能有很大的贡献；外墙洞口较多处，剪力墙肢长较短，数量也不多，不宜再进行削弱；另外，外墙刚度太小，结构的扭转效应会增大，周期比不易满足规范要求。
2假设剩余的剪力墙有n肢，从中选取一肢并对其位置及尺寸按照建筑功能和规范要求进行调整，并进行结构计算。调整的前提是计算结果仍然满足规范要求，目的是尽量减少剪力墙的数量；为了使结构在平面内的两个方向具有相近的刚度，剪力墙尽量布置成带翼缘的形式，即“L”或“T”型的剪力墙。
3.对剩下的n-1肢剪力墙重复进行3的操作，同时检查前后相邻两次计算的层间位移是否接近相等，如相邻两次计算的层间位移差小于给定的足够小的正数，则可认为各肢剪力墙处比较合理的位置，整体优化工作结束
4.轴压比是剪力墙设计的一个重要指标，当其偏小时说明没有充分发挥材料的力学性能，优化时可查看结构轴压比图，调整轴压比较大剪力墙的尺寸。
5.计算四
（一次或多次）
构件优化设计
构件优化设计
（构件超筋超限控制）
查看相关计算图表，修改不合理部分 1.构件构造最小断面控制和截面抗剪承载力验算。
2.构件斜截面承载力验算（剪压比控制）。
3.构件正截面承载力验算。
4.构件最大配筋率控制。
5.纯弯和偏心构件受压区高度限制。
6.竖向构件轴压比控制。
7.剪力墙局部稳定性验算。
8.梁柱节点核心区抗剪承载力验算。
6.绘制施工图
结构构造
抗震构造措施 1.钢筋最小直径限制。
2.钢筋最大最小间距要求。
3.最小配筋率要求。
4.重要部位的加强和明显不合理部分局部调整。
以上优化方法在设计时要综合应用，既要满足规范对计算结果的要求，同时还要考虑建筑功能和结构构造的要求。实际工程的结构优化是一项艰苦的的工作，要求设计人员有较高的理论和实践水平，只有在工作中不断总结经验并加强理论学习，才能不断提高设计水平，设计出安全、经济的结构精品工程。
本文提出了剪力墙优化的一种方法，对设计工作有一定的指导意义，如果能做近一步的研究、总结，提出更简单易行且效果显著的优化方法，使设计人员广泛的接受和应用，这样才能创造更大的社会及经济效益。
[参考文献]
[1]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）[S].中国建筑工业出版社.2011
[2]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].中国建筑工业出版社.2010
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。