上海某住宅楼工程剪力墙结构优化设计
关键词：高层结构；异形柱；剪力墙；优化设计
1工程概况
正在建设中的某住宅小区大楼是一栋由2个独立单元组成的高层住宅开发项目，建设场地位于某开发区。工程设计为地面l8层，地下1层。顶层层高2．88m，其他各层高为2．8m，建筑总面积11659.O0m2，总高度为52．6m。本建筑物抗震设防分类为丙类，本地区抗震设防烈度为7度，剪力墙抗震等级为4级，基本风压取值为0．35kN／m2，地面粗糙度为c类，工程所在地属于Ⅱ类场地土。
2建筑要求及结构设计优化
原结构方案剪力墙布置不合理，造成刚度过大且不均匀，重量增加导致地震反应增强，并使上部结构和基础造价提高。结构布置见图1。
优化的结构方案尽量使结构平面形状和刚度均匀对称。短肢剪力墙双向布置，尽量拉通、对直。竖向布置中，力求规则均匀，避免有过大的外挑、内收，以及楼层刚度沿竖向突变，使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线，以免房屋发生扭转。根据建筑的平面布置，在房间、楼梯间、电梯间的四角采用z形、L形T形或异形的墙肢。在设计过程中还应注意同周期的关系，使结构的第一自振周期避开场地特征周期，以免地基与结构形成共振或类共振。既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范允许的范围内，又要保证建筑物有相对合理的自振周期，做到结构设计经济、合理(优化结构布置见图2)。
3两种方案的比较
3．1分析软件介绍
SA是专门为多、高层建筑结构分析与设计而研制的空间结构有限元分析软件，适用于各种复杂体型的高层钢筋混凝土框架、框剪、剪力墙、筒体结构等，也适用于混凝土一钢混合结构和高层钢结构。
3．1．1SATWE的计算模型
SATWE是用墙元来模拟剪力墙。SATWE中的墙元是在板壳单元的基础上构造出的一种通用墙元，它采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去，将其刚度凝聚到边界节点上，从而保证了墙元的精度和有限的出口自由度，而且墙元的每个节点都具有空间全部6个自由度，可以方便地与任意空间梁、柱单元连接，而无需任何附加约束，同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳单元划分的难度，提高了分析效率。板壳单元是目前模拟剪力墙的最理想单元，SATWE选用这一单元并对墙元的细分和墙上开洞作了自动化处理。
3．1．2SA啊E在对楼板的处理上采用了四种不同的假定①刚性楼板。假定楼板平面内无限刚，忽略楼板平面外刚度。其中“假定楼板整体平面内无限刚”多用于常规结构；“假定楼板分块平面内无限刚”适用于多塔式错层结构。②弹性楼板6。“弹性楼板6”采用壳单元真实计算楼板平面内和平面外刚度，适用于板柱结构和板柱一抗震墙结构。③弹性楼板3。“弹性楼板3”假定平面内刚度无穷大，面外刚度真实计算。适用于厚板转换层结构。④弹性膜。“弹性膜”采用壳单元真实计算楼板平面内刚度，忽略楼板平面外刚度，适用于空旷的工业厂房和体育场馆结构、楼板局部开大洞结构、楼板平面较长或者有较大的凹入以及弱连接结构。为提高计算效率，在保证一定的分析精度的前提下，针对不同类型的工程。采用不同的楼板假定。
3．2结果分析
从构件力学特性上来说，短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5，更接近于剪力墙，故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。SATWE采用的是在每个节点有Ⅵ个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度。可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态。计算结果较精确；同时，对楼板SATWE可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则，立面也无刚度突变现象，但由于刚度较大的电梯井处简体有点偏置，会产生扭转的影响。为了计算准确，地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5％偶然偏心的影响，取了20个振型计算。
3．2．1自振周期的控制
考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取0．95)，如表1(只列了前8个)所示。从表1可得，优化方案结构扭转为主的第一自振周期T4=O．6545s，平动为主的第一自振周期Tl-2．0836s，L=o．3141<0．9，满足高规(JGJ3-2002)第4．3．5条的规定。
3．2．2结构位移的控制
风荷载、地震荷载作用下最大层间位移角f应≤1／1000)、最大水平位移与层平均位移的比值(不宜大于1．2’不应大于1．5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不宜大于1．2，不应大于1．5)见表2、表3。从表2、表3中可以看出结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。
3．2．3剪重比、刚重比控制
剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一。地震力计算不能偏大，但也不能太小，因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差。如果短肢剪力墙分配的地震力太大，则很有可能不满足要求。新方案X方向的最小剪重比为O．84％，Y方向的最小剪重比为0．83％，根据“抗震规范”第5．2．5条及第5．1．4条要求的x、Y向楼层最小剪重比均为0．8％-1％o刚重比是影响重力二阶(p一△)效应的主要参数，且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下。若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，则可以控制结构不失去稳定。新方案x方向、Y方向的刚重比均满足“高规”第5．4．4条的规定，所以各层均满足要求。结构优化前后的剪重比、刚重比见表4。
3．2．4轴压比控制
轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力。为了控制在地震力作用下结构的延性，新的“高规”和“抗震规范”对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。“规范”对短肢剪力墙(尤其一字墙肢)要求更高一些。原方案底部剪力墙最大轴压比为0．58，新方案底部剪力墙最大轴压比为0．59，上述方案出现的短肢剪力墙轴压tg／l,于规范规定值，即满足要求。
3．3优化前后工程经济比较
为了与工程实际情况相符，假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比。钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上，暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响，材料的单方造价混凝土为368元／m3。钢筋为3760元／t。表5为方案的经济指标汇总，由表5知。方案4比原结构在总造价上要节约19．3％。
主要材料原方案优化方案
通过以上两种方案的电算分析指数表明，方案二的竖向结构体系的截面面积虽然较小，但仍可保证满足承载力、刚度、位移的要求。显而易见，优化后的方案不仅节约了业主的投资费用，更重要的是节约了资源。
4结语
本文针对某居民住宅楼的结构特点，进行了结构优化设计。在比原设计方案节省投资19I3％的情况下，使结构受力更合理，整体变形能力和结构吸能能力对抗震更为有利。此工程剪力墙结构的抗震薄弱环节是建筑平面外边缘及角点处的墙肢，因而设计时在以上部位布置L型或一字型短肢墙，受条件所限也出现了少量一字型短肢墙。设计时严格控制其轴压比<0．6，且相差不应太悬殊，以避免墙肢应力差异过大。高层建筑中的连梁是一个耗能构件，对抗震不利。多、高层结构设计中允许连梁的刚度有所下降，但应注意短肢剪力墙结构中，墙肢刚度相对较小，连接各墙肢的梁已类似普通框架梁，而不同于一般剪力墙问的连梁，不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调，使其设计内力降低，应按普通框架梁的要求进行设计。
从这个工程实例中，可以发现合理的结构选型和结构布置对工程的安全、经济性的影响是重大的，只有对结构整个体系的承载能力、性能以及对结构分体系与结构构件相互作用的关系了解透彻才能避免只依赖规范、设计手册、计算程序的设计习惯，从而实现结构设计安全、合理、经济。
参考文献
[1]包世华，方鄂华．高层建筑结构设计口vq．北京：清华大学出版社，1989．
[2]陈彩云．高层框支剪力墙结构计算分析【JJ．华侨大学学报，1998(4)．
[3]林同炎．结构概念和体系【M】．北京：中国建筑工业出版社，2005．
[4]张宇鑫，刘海成，张星源．PKPM结构设计及应用【M】．上海：同济大学出版社，2006．
