高层建筑剪力墙结构中剪力墙平面布置优化研究

黄耀

（西南石油大学 四川成都 610000）

摘要：不同剪力墙布置方案，对结构的层间扭转角、扭转位移比以及结构周期比会产生巨大影响。在结构设计中，剪力墙合理刚度的确定，仅能确定每个方向上剪力墙的具体的等效刚度，但是剪力墙具体的布置方案却不能合理的确定。本文将在前人对剪力墙结构中剪力墙布置方案优化研究的基础上，结合我国现行规范中对剪力墙布置基本原则的要求，着重对控制结构布置合理性的主要两个指标：扭转位移比及周期比，进行分析。从而，本章将结构中剪力墙总长度最小作为目标函数，以剪力墙总长度区间、层间位移角、扭转位移比及周期比等为约束条件，建立高层建筑剪力墙结构中剪力墙布置位置进行优化搜索模型。

关键词：剪力墙结构；合理刚度；布置优化；

1引言

随着城镇化率不断的升高，我国城市的人口不断增多。人口的快速增长，激发城市住宅土地需求快速增长，据《房地产蓝皮书：中国房地产发展报告（2017）》统计，2016年我国房地产开发投资总额首次超过10万亿元，其中，住宅投资占房地产开发投资的比重为67.0%。而由于土地资源的稀缺性，近年来，我国城镇所建住宅绝大多数为高层住宅。剪力墙结构由于具有侧向刚度大，室内无露柱现象、间距布置合适、抗震延性好等一系列特点，成为高层住宅建筑最主要的结构形式之一，应用最为广泛。剪力墙作为高层建筑剪力墙结构的主要构件之一，其对结构的安全性、经济性等起到至关重要的作用。而在剪力墙结构方案设计中，如何经济、合理、有效地布置剪力墙构件是工程设计人员面临的主要问题，也是体现结构师设计水平的重要标志。

2剪力墙结构中剪力墙布置基本原则

目前，我国现行规范中，对结构中剪力墙的布置标准，给出了“均匀、对称、分散、周边”的基本原则。结构设计时，布置原则侧重于结构的刚度中心、质量中心的偏差、周边及内部剪力墙的数量关系、剪力墙的开洞设计以及连梁的设置。通过对建筑物中影响结构扭转效应的构件进行优化设计，从而完成剪力墙的优化布置方案。因此，在结构设计阶段，结构中剪力墙布置的基本原则，主要包括以下几点：

（1）在建筑物整体方案布置上，剪力墙应尽可能满足的布置原则。在剪力墙结构中，不同的布置方案将会对建筑物的刚度中心以及质量中心造成很大影响，当两种结构中心偏差过大时，会增大结构整体的扭转效应，产生不利影响。因此，在结构设计中，为了保持建筑的刚度中心及质量中心接近或者重合，应尽可能满足“均匀、对称”的布置原则。

（2）建筑物的周边尤其是脚部，应该结合建筑物立面要求尽量布置剪力墙。这项布置基本原则，对应结构设计规范中所要求的“四周”基本原则。通过对结构设计方案将中，建筑物的四周脚部尽量布置剪力墙，将强化周边，对于内部适当弱化，将会增强结构整体的抗扭能力。

（3）对于结构中较长的剪力墙，应通过开设洞口，将其划分为均匀的若干墙段，采用弱梁连接，形成联肢剪力墙类型。相较于其他类型剪力墙，联肢剪力墙经济效益更好，从而形成布置更为合理的方案。

（4）剪力墙的布置除应保持刚度中心与质量中心接近或重合的要求外，也应该保证沿房屋横纵两个方向双向布置的要求，从而保证结构在两个方向上的刚度尽量接近。

（5）剪力墙方案布置过程中，宜采用墙肢截面简单、规则的构件类型进行布置。对于构件类型中稳定性及抗震性较差的I字型剪力墙应较少采用，更多采用L、T字型剪力墙构件。

3. 剪力墙结构布置优化的原则和步骤

3.1 剪力墙结构布置优化的原则

对剪力墙结构布置，采用改进遗传算法进行搜索优化设计，其本质是在结构设计等约束条件的限制下，寻求结构中剪力墙最少的设计方案的过程。因此，在上述优化过程中，需要遵循以下几点原则：

（1）在上述优化过程中，必须满足我国现行设计中对剪力墙结构的安全性能要求，使得在满足安全条件下，再满足其他优化条件，对于不满足安全性要求的设计方案，直接淘汰；

（2）对于优化参数的选取及范围设置，应该满足结构设计资料有关要求，不能出现设计资料基本要求之外的参数；

（3）本文所对剪力墙的布置位置优化是建立在结构中剪力墙合理数量的基础上进行，故布置方案中的剪力墙长度，应在前文计算的剪力墙合理长度范围内，对于不在区间范围内布置方案，直接淘汰；

（4）优化搜索过程中，满足本文所设计的约束条件的基础上，不同方案之间的优劣性，采用结构的层间扭转角、位移比及周期比等指标进行比较，认定结构中剪力墙总数量更少的设计方案更优作为原则。

3.2 剪力墙结构布置优化的步骤

针对前文中的优化布置方法仅能对现有结构设计方案实施，本节将结构设计的剪力墙总长度作为目标函数，以层间位移角、剪力墙合理数量区间、结构扭转位移比及周期比等作为约束条件，结合遗传算法进行优化搜索，并采用Matlab 软件编写优化程序，从而在结构设计阶段便可完成优化设计。上述优化搜索模型的具体实施步骤，如下所示：

（1）依据现行设计规范及国内外学者的研究成果，确立有关高层建筑结构中剪力墙布置的基本原则，选取本文优化设计所需的剪力墙节点信息；

（2）根据（1）中所选取的优化节点信息，确定每个节点的优化参数数量及其相应的参数变化范围；

（3）采用本文第三章所得结构层扭转计算公式，建立剪力墙布置优化搜索模型的目标函数，并确定以结构中剪力墙总长度最少为最优的判别标准；

（4）根据结构设计资料及优化参数，采用本文第二章中有关于结构中剪力墙合理数量的计算模型，可得到方案中剪力墙布置总长度区间范围，并将其作为优化过程的约束条件之一；

（5）进一步采用第二、三章中有关结构侧移、层间位移角、结构扭转位移比及周期比的计算公式，结合现行规范中有关上述结构安全性能控制指标的要求，设立优化搜索模型的约束条件；

（6）考虑上述剪力墙布置位置优化模型的复杂性，分别对遗传算法的编码过程、交叉过程及选择过程进行改进工作，使得改进遗传算法针对上述存在高维、多峰、非线性等复杂情况的优化问题，具有更为精确、快速的搜索特性；

（7）将上述所有理论计算模型，采用Matlab 软件进行计算机程序语言编写工作，进一步通过程序计算，最终得到高层建筑剪力墙结构中剪力墙布置位置优化设计方案。

4. 结束语

本文将在前人对剪力墙结构中剪力墙布置方案优化研究的基础上，结合我国现行规范中对剪力墙布置基本原则的要求，着重对控制结构布置合理性的主要两个指标：扭转位移比及周期比，进行分析。从而，本章将结构中剪力墙总长度最小作为目标函数，以剪力墙总长度区间、层间位移角、扭转位移比及周期比等为约束条件，建立高层建筑剪力墙结构中剪力墙布置位置进行优化搜索模型。

参考文献

1. JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[s].北京:中国建筑工业出版社,2010.

2. 黄世敏, 魏琏, 程绍革,等. 地震区框架—剪力墙结构最优剪力墙数量的研究[J]. 工程抗震与加固改造, 2003(1):1-5.

3. 孟焕陵, 沈蒲生. 框-剪结构中连接形式对剪力墙合理数量的影响[J]. 土木工程与管理学报,2005, 22(2):71-77.

4. 胡孔鹏, 陈道政. 层数和层高对高层建筑剪力墙数量的影响[J]. 工业建筑, 2013, 43(3):67-70.