刘 菲

(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710000)



高层剪力墙结构设计优化

刘 菲

(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西 西安 710000)

介绍了剪力墙结构的基本理论，以西安北动车段单身综合楼工程为例，提出了优化前后两种剪力墙结构的布置方案，并采用有限元分析软件SATWE，从周期比、层间位移角、整体稳定性等方面，对比分析了两种方案的计算结果，指出优化后的剪力墙结构布置方案更为合理。

剪力墙，结构布置，三维模型，刚度

1 剪力墙结构的基本理论

1.1 剪力墙类型

剪力墙结构包括墙肢和连梁，可以同时承担竖向及水平荷载，由于其平面内刚度很大，所以在承担风荷载及地震作用传来的水平荷载时，产生的侧移小，是常用高层建筑结构形式。

根据墙体上洞口位置的排列方式、洞口尺寸及数量等因素，可将剪力墙划分为：整截面墙、整体小开口墙、联肢墙(双肢墙、多肢墙)、壁式框架(见图1)。

1.2 计算假定

1)楼板在平面内刚度无穷大，平面外刚度几乎为零。由于高层建筑中，楼面尺寸较大，整体性能好，平面内刚度很大，楼板在平面内每一点的位移相等。而在平面外，板厚只有十几厘米，对剪力墙伸缩、弯曲的约束作用小，可认为楼板平面外刚度为零。2)剪力墙平面内刚度取决于截面尺寸，平面外刚度为零。可认为剪力墙只承担平面内的作用力，与受力方向垂直相交的剪力墙，视为受力方向剪力墙翼缘。在上述两个假定下，当水平荷载作用点与结构刚度中心重合时，结构不发生扭转。

2 结构设计方案

2.1 设计概况

本文计算实例为西安北动车段单身宿舍综合楼，该楼为南北通透的板式楼，标准层平面呈“一”字形内廊式布置。地下1层，地上23层，层高3.0m，建筑总高69.0m，建筑面积为19 478m2；结构长度×宽度=45.0m×17.10m，高宽比h/b=1.533，采用剪力墙结构。

勘察报告显示，本工程场地类别Ⅲ类，自上而下依次为填土、杂填土(建筑垃圾)、中砂、细砂等，地下水埋深约7m～12m。抗震设防烈度为8度，地震分组第一组，基本地震加速度0.20g，属标准设防类(丙类)。基本风压：0.35kN/m2，基本雪压：0.25kN/m2。建筑立面如图2所示。

2.2 剪力墙结构布置一般原则

1)平面布置宜简单、规则，两主轴方向侧向刚度相差不宜过大。2)不宜采用具有较多短肢剪力墙的剪力墙结构。3)剪力墙应具有适宜的侧向刚度，不宜布置过密。若墙体布置较多，侧向刚度较大，但结构的自重也相应加大，地震作用加大，反而对结构抗震不利。4)其门窗洞口宜上下对齐且成列布置。5)剪力墙墙段较长时，受弯后产生的裂缝宽度较大，墙体配筋容易拉断，因此《高层规程》规定，剪力墙长度不宜大于8.0m。

2.3 结构布置方案

3 计算分析与数据对比

3.1 设计参数的选取

选取SATWE程序进行计算，并对两方案计算结果进行分析对比。计算过程中要针对设计条件及建筑方案对结构参数进行设置。主要参数如下所示：1)恒、活荷载计算均模拟施工加载方式3。2)地震作用和风荷载按X,Y两个方向计算。3)地震作用计算振型个数为15个，以保证振型参与质量系数达到90%。4)剪力墙抗震等级二级，特征周期0.45s，地震影响系数最大值为0.16，阻尼比0.05。5)根据《高层规程》，剪力墙结构的周期折减系数可取0.8～1.0，本例取0.90。

表1 混凝土强度等级及墙厚分布

混凝土强度等级及墙厚分布见表1。

3.2 模型信息

两个剪力墙设计方案所对应标准层三维模型及整体模型如图3，图4所示。

3.3 计算结果对比分析

表2 模型振型周期表

2)层间位移角(Δu/h)。剪力墙结构，若侧向刚度过小，会造成较大的变形及裂缝，影响正常使用。若布置太密，会加大结构自重，增大地震作用，反而对结构不利。层间位移角对比见表3。

两方案均满足要求，优化后刚度更大，位移减小。

3)X,Y方向位移比、层间刚度比、层间受剪承载力比。对比两模型位移比数据，均满足要求。具体如表4所示。

表3 层间位移角对比

表4 X，Y方向位移比

计算结果显示：两模型层间刚度比最小值均为1.0，大于规范要求的0.9，避免了薄弱层破坏；优化前层间抗剪承载力比最小值为0.97，优化后为0.99，满足限值要求。

4)整体稳定性验算。高层建筑在风荷载及水平地震作用下，重力荷载在水平位移效应上会引起重力二阶效应，随着结构刚度的降低，这种不利影响呈非线性增长。《高层规程》中最小刚重比限值为1.40，且若刚重比不小于2.70，可不考虑重力二阶效应的不利影响。计算结果如图5所示。

4 结语

两方案在其他设计参数一致的情况下，优化前剪力墙设置更多，但结构刚度反而降低，位移增大，说明其剪力墙布置的位置及数量欠合理。优化后通过调整剪力墙的位置，减小了剪力墙的数量，得到了更高的结构刚度，布置为更合理。

最后，采用YJK结构设计软件进行计算复核，得到了相同的计算结果、结论。据此，本建筑采用优化后的剪力墙结构布置方案。

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On optimal measures of high-rise shearing wall structure

Liu Fei

(ChinaRailwayXi’anSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,Xi’an710000,China)

The paper introduces the basic theory for the shearing wall structure, points out the two layout schemes for the shearing wall structure by taking the single comprehensive building at multiple unit train depot of north of Xi’an as the example, adopts the finite element analysis software, SATWE, undertakes the comparative analysis of the calculation results of the two schemes from the period ratio, hierarchy displacement angle, and integrated stability, and points out the shearing wall after the optimization is more reasonable.

shearing wall, structural layout, three-dimension model, stiffness

1009-6825(2016)10-0055-02

2016-01-28

刘 菲(1987- )，女，助理工程师

TU973

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