高层剪力墙结构优化设计及抗震性能研究

孙 鹏 （山东省济南市莱芜区城市规划协调服务中心，山东 莱芜 271100）

高层剪力墙结构优化设计的背景主要来自高层建筑在当今社会的广泛应用及其在结构设计中所面临的挑战。高层建筑由于其特殊的结构和高度，使得其结构设计需要满足更高的强度、刚度、耐久性和抗震性能等要求。特别是在地震作用下，高层建筑结构会受到更大的影响和挑战，因此，在高层建筑结构设计中，需要重点考虑如何提高结构的抗震性能，以保障建筑内人们的生命财产安全[1]。为了满足这些要求，同时提升高层建筑的经济效益和社会效益，剪力墙结构作为一种优秀的结构形式被广泛应用于高层建筑中。剪力墙结构具有较高的承载能力、刚度和抗震性能，能够有效地提升高层建筑的整体性能和安全性。在剪力墙优化设计时，需要考虑诸多因素，如结构类型、材料选择、施工工艺等，其中，结构类型是影响剪力墙性能的主要因素之一[2]。为深化高层建筑结构中剪力墙的设计，下文将以某工程项目作为实例展开研究。

1 高层剪力墙结构平面布置与墙长优化

1.1 建立墙元模型

为提升高层建筑剪力墙结构的可靠性，需要在对其进行优化设计前，结合项目的设计及需求，进行剪力墙结构中的墙元模型构建，基本模型结构如图1所示。

图1 墙元模型结构

广义层面上的墙元模型，实质上是一种板壳单元，由于剪力墙同时承担水平和竖向两种荷载，且同时具有面内和面外两个刚度，因此，采用壳元方法对其进行数值模拟更符合现实[3]。

1.2 优化

在遵循高层剪力墙结构布置原则的前提下，结合高层建筑的使用功能，布置初始方案。初步设计方案中设置了较多的剪力墙，部分填充墙处设置了剪力墙，墙长也比较长，初步确定为方案一，后续的优化工作将基于原方案进行，如图2 所示，图中粗实线区域表示已设置的剪力墙，虚线表示设置的梁结构[4]。

图2 高层剪力墙结构布置初始方案示意图

为了避免剪力墙结构上出现X 轴与Y 轴刚度相差较大的问题，对Y轴方向上的剪力墙长度进行削减，以此使X 轴方向与Y 轴方向的刚度达到平衡[5]。在保证墙体整体侧移恒定的情况下，考虑到电梯本身只受自重影响，本项目拟在8 轴和20 轴交叉Y 轴方向剪掉400mm，并用墙体替代楼板、填充墙体，达到墙体长度最优。在此基础上，对剩余墙肢在不影响建筑使用功能的情况下，对剪力墙肢的尺寸进行减少调整，从而达到精简墙肢数量的效果。图3 为剪力墙墙肢优化局部放大图。

图3 剪力墙墙肢优化局部放大图

按照图3所示在精简优化的基础上，将部分一字型长墙肢设置为“L”型或“T”型。在设置剪力墙时，尽量采用“L”型或“T”型剪力墙，这样可以使结构的受力更为合理，在抗震、抗风方面有较好的表现[6]。

2 高层剪力墙结构墙厚优化

结合高层建筑相关规定，剪力墙结构的墙厚不得小于层高的1/25，并且墙体的厚度不得小于160mm，因此最小墙厚应设置为180mm，加强层的厚度保持200mm 不变，加强区域以上部分的墙厚度减小为180mm，按照这一方案重新进行组装，得到如图4 所示的结果[7]。

图4 竖向墙厚示意图

对于组合墙厚度的优化应当考虑到剪力墙偏心受压的情况，这一问题产生会进一步造成大偏心和小偏心受压破坏。以大偏心受压情况为例，根据力矩平衡可得：

式中∑Y代表所受到的力的合力矩的代数和。

再进一步得出：

式中As代表钢筋的配筋面积；fy代表杆件的抗拉强度设计值；f′y代表杆件的抗压强度设计值；x代表变量；NU代表拉力；N代表剪力墙所受合力；α1、b代表系数；fc代表剪力墙结构强度设计值。

在确定混凝土强度的情况下，N值不变，通过增加剪力墙的截面尺寸，其配筋面积会降低。剪力墙的厚度无法实现无限增加，因此，一味增加剪力墙墙厚不可行。从另外一个角度来看，如果在一定混凝土强度等级的情况下，决定了剪力墙的截面尺寸，增加了外部合力，就会增加剪力墙的配筋量[8]。因此，在受到较大外部荷载时，需要对这些因素进行全面分析，可以在增加墙体厚度、增加混凝土标号的情况下，结合结构的安全性和配筋率对其进行调整。具体而言，将墙体厚度开始优化的边界线设定在最大位移上延一层的位置上，一方面可以强化中间薄弱层，另一方面可以减轻上部结构重量，得到一种造价更低、结构更合理的优化方案。

3 抗震性能分析

高层剪力墙结构的抗震性能测试是一项重要的实验工作，其主要目的是评估剪力墙结构在地震作用下的反应和表现，因此，在完成上述设计后，进行地震波与实验的准备。准备相应比例或全尺寸的剪力墙模型，并确保模型的制作符合相关标准和规定。在模型的适当位置安装传感器，以监测地震动和剪力墙的变化情况，通过振动台或相似设备模拟地震动，使剪力墙模型受到地震力的作用。记录地震过程中剪力墙的参数，并分析这些参数的变化情况，观察剪力墙在地震作用下的破坏情况，包括裂缝分布、位移量等，评估其抗震性能。

3.1 地震波录入

地震是目前科学难以准确预测的一种自然现象，具有很强的不确定性，因此，在分析地震对建筑物的影响时，除常规地震动外，还应考虑罕遇地震动。在此基础上，应选择特定的地震波，并在此基础上进行罕遇地震作用的计算。对于同一种结构，在进行动力时程分析时，由于地震动的不同，其影响也是有差异的。为确保计算成果的可靠，必须按规范要求选取地震动波形；在时域分析时，应结合建设场地类型及震害类别，选用真实强震波形及人工仿真加速度时程曲线，确保地震记录数目不少于2/3；在弹性时程分析中，各时程曲线的底部剪力不得低于振型分解响应谱的65%，多个时程计算得到的最大底部剪力不得低于80%。

相同的地震波，对于不同结构的建筑物来说，其所承受的地震动也是不同的。所以，地震波场的选取也应考虑三个要素：幅值、地震动频谱特征、地震动时程。在地震库中选择A、B 两种地震波作为测试波，将其命名为DZ-1、DZ-2，具体描述见表1。

表1 A、B两种地震波的主要信息

对DZ-1、DZ-2 的加速度时程曲线进行分析，如图5所示。

图5 DZ-1、DZ-2的加速度时程曲线

3.2 地震波录入条件下剪力墙的顶点位移分析

确保DZ-1、DZ-2 满足并符合测试需求后，绘制DZ-1、DZ-2 作用下的高层剪力墙结构X 向、Y 向顶点时程曲线，将其作为检验地震波录入条件下，剪力墙顶点位移分析的依据。其结果如图6、图7所示。

图6 DZ-1录入条件下剪力墙X向、Y向顶点时程曲线

图7 DZ-2录入条件下剪力墙X向、Y向顶点时程曲线

从图6、图7 中的顶点时程曲线可以看出，在相同地震波录入条件下，优化设计后的剪力墙X 向、Y 向顶点位移＜优化设计前的剪力墙X向、Y向顶点位移，即优化设计后的高层结构顶点时程曲线波幅显著小于优化设计前的高层结构顶点时程曲线波幅。由此可以说明，按照规范进行剪力墙结构的优化设计，可以提高整体结构的抗震性能，以此种方式保证结构具有较强的抗震能力。

4 结语

为了提升高层建筑的整体性能和安全性，需要在剪力墙优化设计时充分考虑各种因素，包括结构类型、材料选择、施工工艺等。通过科学合理的剪力墙优化设计，有效提升高层建筑的经济效益和社会效益，为人们创造更加安全、舒适、便利的生活和工作环境。通过此次研究，明确了剪力墙优化设计和抗震性能是高层建筑质量和安全的重要保障。在未来的研究中，需要进一步探讨如何提高剪力墙的抗震能力，实现结构的可持续发展，同时利用先进的计算和分析方法，为高层剪力墙结构的设计带来更多可能性。