關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計 

　　隨著建筑工程技術(shù)地不斷提高以及節(jié)約土地資源，人們的住宅也逐漸由低層建筑發(fā)展到高層建筑。所謂高層建筑，它主要是相對于多層建筑而言的，評判一個建筑是否為高層建筑，主要有兩個評判指標，即高度以及層數(shù)兩個標準。目前，國家尚未對多少層數(shù)為高層建筑有一個劃分的標準。因此，這就使得高層建筑這個概念在不同的國家和地區(qū)，有著不同的規(guī)定和標準。對于高層建筑的規(guī)定，主要是與這個國家和地區(qū)的經(jīng)濟條件，建筑技術(shù)、消防設(shè)置以及電梯設(shè)備等多方面的因素有極大的關(guān)系。例如在英國規(guī)定建筑高度為超過24.3m的建筑為高層建筑；在日本則規(guī)定樓層超過8層或是樓高大于31m的建筑為高層建筑；在我國，則規(guī)定超過10層或是高度超過28m的為高層建筑。由于高層建筑本身具有一定的特殊性，對建筑技術(shù)的要求也比普通建筑要高。本文主要攫取了高層住宅中混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了研究和闡述。 

　　1　高層建筑結(jié)構(gòu)的類型 

　　按照使用的材料區(qū)分，高層建筑可采用砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)等類型。 

　　砌體結(jié)構(gòu)雖然具有取材容易、施工簡便、造價低廉等優(yōu)點，但由于砌體是一種脆性材料，其抗拉、抗彎、抗剪強度均較低，抗震性能較差，現(xiàn)代高層建筑很少采用無筋砌體結(jié)構(gòu)建造。在砌體內(nèi)配置鋼筋后，可大大的改善砌體的受力性能，使之用于建造地震區(qū)和非地震區(qū)的中高層建筑成為可能。 

　　混凝土結(jié)構(gòu)具有取材容易、良好的耐久性和耐火性、承載能力大。剛度好、節(jié)約鋼材、降低造價、可模性好以及能澆制成各種復雜的截面和形狀等優(yōu)點，現(xiàn)澆整體式混凝土結(jié)構(gòu)還具有整體性好，經(jīng)過合理設(shè)計，可獲得較好的抗震性能�；炷�土結(jié)構(gòu)布置靈活方便，可組成各種結(jié)構(gòu)受力體系，在高層建筑中得到了廣泛的應用，特別是在我國和其他一些發(fā)展中國家，高層建筑主要以混凝土結(jié)構(gòu)為主。鋼結(jié)構(gòu)具有材料強度高、截面小、自重輕、塑性和韌性好、制造簡便、施工周期短、抗震性能好等優(yōu)點，在高層建筑中也有著較廣泛的應用。但由于高層建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量大，造價高，再加之因鋼結(jié)構(gòu)防火性能差，需要采取防火保護措施，增加了工程造價。鋼結(jié)構(gòu)的應用還受鋼鐵產(chǎn)量和造價的限制，在發(fā)達國家，高層建筑的結(jié)構(gòu)類型主要以鋼結(jié)構(gòu)為主。近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的增強和鋼產(chǎn)量的大幅度提高以及高層建筑建造高度的增加，采用鋼結(jié)構(gòu)的高層建筑也不斷地增多。特別是對地基條件差或抗震要求高，而高度又較大的高層建筑，更適合采用鋼結(jié)構(gòu)。 

　　鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)不僅具有鋼結(jié)構(gòu)自重輕、截面尺寸小、施工進度快、抗震性能好等特點，同時還兼有混凝土結(jié)構(gòu)剛度大、防火性能好、造價低的優(yōu)點，因而被認為是一種較好的高層建筑結(jié)構(gòu)形式，近年來在我國發(fā)展迅速。組合結(jié)構(gòu)是將鋼材放在構(gòu)件內(nèi)部，外部由鋼筋混凝土做成(稱為鋼骨混凝土)，或在鋼管內(nèi)部填充混凝土，做成外包鋼構(gòu)件(稱為鋼管混凝土)。如北京的香格里拉飯店(24層，高83m)采用鋼骨混凝土柱，正在建設(shè)的上海環(huán)球金融中心大廈(95層，460m)和陜西信息大廈(52層，高189m)均采用鋼骨混凝土框筒結(jié)構(gòu)，深圳的賽格廣場大廈(76層，高292m)采用圓鋼管混凝土柱，香港中心大廈(70層，高292m)和臺北國際金融中心大廈均采用方鋼管混凝土柱�；旌辖Y(jié)構(gòu)一般是指由鋼筋混凝土或鋼骨混凝土剪力墻(或筒體)以及鋼框架組成的抗側(cè)力體系。 

　　2　剪力墻結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計 

　　剪力墻結(jié)構(gòu)是指縱橫向主要承重構(gòu)件全部為結(jié)構(gòu)墻的結(jié)構(gòu)。如果墻體在建筑物中的位置合適，就會形成一個可以很好的抵抗水平力的結(jié)構(gòu)體系，同時還能夠分割空間。通常情況下結(jié)構(gòu)墻的高度與整個房間的一樣，從基礎(chǔ)到屋頂有幾十到一百多米高，寬度則是根據(jù)建筑的平面布置確定的，通常在幾米到十幾米之間；其厚度相對來說就要薄的多了，通常在200cm-300cm之間，最薄的僅有160cm。所以在一個墻體平面內(nèi)有結(jié)構(gòu)墻存在時就會有很大的側(cè)移剛度，但墻體外的剛度就非常小，通�？梢院雎圆挥�。因此結(jié)構(gòu)墻承載著來自于建筑的大部分水平作用或水平剪力，剪力墻名稱的形成也在于此。實際上更確切的來說，剪力墻應該叫做結(jié)構(gòu)墻。在國外的一些文獻中已經(jīng)開始用結(jié)構(gòu)墻開稱呼它，在本文中依舊按照我國工程界的習慣，用剪力墻來稱呼它。 

　　2.1　剪力墻結(jié)構(gòu)的形式單片剪力墻可根據(jù)其本身開洞率對其受力特性的影響分為若干類型。 

　　2.1.1　無洞單肢剪力墻剪力墻的立面上沒有任何洞口。這種墻實際上是一豎向懸臂構(gòu)件，經(jīng)水平荷載的作用，發(fā)生彎曲變形與平截面假定相符，正應力在墻肢截的分布是直線形。可以用應用材料力學方法來計算它的內(nèi)力和變形。 

　　2.1.2　整體墻和小開口整體墻墻面上只有很小的洞口，可以忽略其影響。這種類型的剪力墻實際上仍然是一個懸臂構(gòu)件，其橫截面的變形符合平而假定，正應力為直線分布，稱為整體墻。當開洞稍大一些，墻肢應力中出現(xiàn)由局部彎曲引起的應力，但其值不超過整體彎曲應力的15％�？梢哉J為其墻肢截面的變形仍符合平面假定，可以按材料力學方法計算應力，然后加以修正。這種墻稱為小開口整體墻。 

　　2.1.3　聯(lián)肢墻在實際工程中，有些剪力墻是由許多受彎構(gòu)件連接在一起的。例如，住宅建筑和旅館建筑中，墻體上由大量豎向排列的洞口，在外墻上，這些洞口一般是窗口，而在建筑的內(nèi)部，這些洞口大部分是門洞或走道。在設(shè)計中，這些洞口將一片整墻分開為由連梁或樓板連接的墻肢，就形成了所謂的聯(lián)肢墻。一般地，開有一排或數(shù)排較大洞口的剪力墻，其截面整體性已經(jīng)破壞，平荷載作用下正應力的分布較直線規(guī)律有較大的差別。但墻肢的線剛度比同列兩孔間所形成的連梁的線剛度大得多，每根連梁中部都有反彎點，而墻肢僅在少數(shù)樓層出現(xiàn)反彎點。即在水平荷載作用下，所有的連梁都呈現(xiàn)雙曲率彎曲形態(tài)，而大部分的墻肢都呈現(xiàn)單曲率彎曲形態(tài)，墻肢變形仍以彎曲變形為主。這種剪力墻可視為由連梁把墻肢連接起來的結(jié)構(gòu)，故稱之為聯(lián)肢墻。若只開有一列洞口，稱為雙肢墻；開有兩列及以上的。稱為多肢墻。 

　　2.1.4　短肢剪力墻與普通的剪力墻相比，短肢剪力場結(jié)構(gòu)體系具有以下特點：①布置靈活，建筑功能容易滿足，尤其適用于建造11―20層住宅，即所謂的小高層住宅，且造價相對于普通的剪力墻結(jié)構(gòu)較低。②可以開較大的洞口，結(jié)構(gòu)自重比較輕側(cè)移剛度較小、結(jié)構(gòu)柔，地震作用較小；建筑上可以獲得良好的采光與通風效果。③

 

短肢剪力墻一般為高剪力墻(高寬比大干2)，故水平荷載作用下墻體的破壞一般都呈彎曲狀。同時連粱截面的跨高比大，故連梁的破壞也呈彎曲狀。所以，短肢剪力場具有較大的延性。 

　　2.1.5　開有不規(guī)則洞口的剪力墻開設(shè)不規(guī)則的較大洞口僅是由于建筑使用上的要求，在結(jié)構(gòu)上往往會產(chǎn)生一些不利的影響，故宜盡量避免采用。當無法避免時，亦宜采用一些結(jié)構(gòu)措施.以消除或降低不利因素的影響。例如，開設(shè)一些不需要開設(shè)的洞口；使剪力墻的開洞變?yōu)橐?guī)則或接近規(guī)則，如有需要則用剛度小的材料堵塞這些本來不需開設(shè)的洞口，在剪力墻中設(shè)置連續(xù)性較強的暗柱暗梁，以降低不規(guī)則開洞帶來較大應力集中的不利影響等。 

　　2.2　結(jié)構(gòu)布置 

　　2.2.1　墻體承重方案①小開間橫墻承重。每開間設(shè)置一道鋼筋混凝土承重橫墻，間距為2.7-3.9m，橫墻上放置預制空心板。這種方案適用于住宅、旅館等使用上要求小開間的建筑。其優(yōu)點是一次完成所有墻體，省去砌筑隔墻的工作量；采用短向樓板，節(jié)約鋼筋等。但此種方案的橫墻數(shù)量多，墻體的承載力未充分利用，建筑平面布置不靈活，房屋自重及側(cè)向剛度大，自振周期短，水平地震作用大。②大間距縱、橫墻承重。仍是每兩開間設(shè)置一道鋼筋混凝土橫墻，間距為8m左右。樓蓋或采用鋼筋混凝土雙向板，或在每兩道橫墻之間布置一根進深梁，梁支承于縱墻上，形成縱、橫墻混合承重。 

　　2.2.2　剪力墻的布置①剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向或多向布置，不同方向的剪力墻宜分別聯(lián)結(jié)在一起，應盡量拉通、對直，以具有較好的空間工作性能i抗震設(shè)計時，應避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式，宜使兩個方向側(cè)向剛度接近，兩個方向的自振周期宜相近。剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則。②剪力墻的側(cè)向剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)自重，增大結(jié)構(gòu)的可利用空間，剪力墻不宜布置得太密，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度：若側(cè)向剛度過大，不僅加大自重，還會使地震力增大，對結(jié)構(gòu)受力不利。③剪力墻宜自下到上連續(xù)布置，避免剛度突變：允許沿高度改變墻厚和混凝土強度等級，或減少部分墻肢，使側(cè)向剛度沿高度逐漸減小。剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變，對結(jié)構(gòu)抗震不利。④剪力墻洞口的布置，會極大地影響剪力墻的力學性能。為此規(guī)定剪力墻的門窗洞口宜上下對齊，成列布置，能形成明確的墻肢和連梁，應力分布比較規(guī)則，又與當前普遍應用的計算簡圖較為符合，設(shè)計結(jié)果安全可靠。 

　　2.2.3　高度和高寬比的控制房屋的高度是指室外地面至主要屋面的高度，不包括局部突出屋面的電梯機房、水箱、構(gòu)架等高度：表中的框架結(jié)構(gòu)不包括異形柱框架結(jié)構(gòu)；部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)是指地面以上有部分框支努力墻的結(jié)構(gòu)；平面或豎向均不規(guī)則的結(jié)構(gòu)或IV類場地上的結(jié)構(gòu)，最大高度應適當降低：A級高度的甲類建筑，6、7、8度抗震設(shè)計時，宜按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度后符合要求，9度時應做專門研究；B級高度的甲類建筑，6、7度時，宜按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度后符合要求，8度時應做專門研究：9度抗震設(shè)防應該具體研究。 

　　3　結(jié)論 

　　綜上所述，土木建筑工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化實際上應該經(jīng)歷以下四個層次：結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化――結(jié)構(gòu)的選型優(yōu)化――結(jié)構(gòu)設(shè)防荷載的決策――最優(yōu)設(shè)防荷載條件下的最小造價設(shè)計，總之，應該在結(jié)構(gòu)的功能優(yōu)化中決策結(jié)構(gòu)整體的主要尺寸和性能要求：在結(jié)構(gòu)選型中決策結(jié)構(gòu)的類型、布局、拓撲和建筑材料：在設(shè)防水平?jīng)Q策中確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)防荷載i因而狹義的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計指的只是在結(jié)構(gòu)的功能、選型、材料、拓撲、形狀和荷載決定之后對結(jié)構(gòu)細部尺寸的優(yōu)化，可簡稱為結(jié)構(gòu)的變量優(yōu)化設(shè)計。 

　　參考文獻： 

　　[1]姚琦.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制因素探討[D][重慶大學碩士學位論文]重慶：重慶大學土木工程學院，2006：22-30 

　　[2]王月華.七度區(qū)高層剪力墻數(shù)量優(yōu)化研究[D]：[中國石油大學碩士學位論文].山東：中國石油大學(華東)建筑工程與力學學院，2006：5-21 

　　[3]曹揚，李杰.雙連梁短肢剪力墻結(jié)構(gòu)非線性損傷分析[J]同濟大學學報，2007，35(12)：1587-1591