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【摘 要】 高层建筑中应很好地把握剪力墙布置的度，使整个结构从抗震的角度可使地震力尽量减小，满足受力要求，保证结构的安全；从经济的角度尽可能地降低造价，以达到最经济，这样才能真正体现优化设计的意义。
【关键词】 剪力墙结构；优化方案；对比分析
以江西省某小区的一栋高层剪力墙为例， 取地震作用为目标函数，结构的抗侧刚度为设计变量，选择适当的约束条件， 通过逐步改变墙体厚度和数量来得到一个最优的结构抗侧刚度，使整个结构处于最佳受力状态，并且达到最经济的目的。
1 模型的建立
本方案模型为10层剪力墙住宅结构，无地下室，建筑高度为32m 。
1.1 优化前的方案模型
第一种布置方案：根据所提供的建筑资料和高层剪力墙结构布置的基本原则，初步布置剪力墙，墙厚250m，如图 1所示。在第一种方案的基础上，将剪力墙的厚度改为200m，剪力墙数量和长度不变，得到第二方案，平面同图1。
图1 方案一的结构标准层剪力墙布置
1.2 优化后的方案模型
在第二方案的基础上，不改变剪力墙的厚度，而在剪力墙的数量布置上稍作改变，将个别剪力墙删去，部分分户剪力墙缩短，减少中心筒附近的较多的剪力墙，调整 X、Y 方向的抗侧刚度，得到第三方案，如图2所示。
图2 方案三的结构标准层剪力墙布置
2 优化前后三种模型计算结果对比分析
采用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件分别对三种模型进行计算，通过对结构动力特征、内力特征、变形特征等指标来分析剪力墙布置的改变对结构优化设计的影响。
2.1 动力特征中的结构振动周期
三种结构方案对应前16个振型计算的自振周期如表3所示。
GB50011—2010《建筑抗震设计规范》规定：多遇地震作用下剪力墙结构第一自振周期一般约在总层数的 0.06～0.08 倍之间。经过演算得知，三个方案的第一自振周期均符合要求。由表3可以看出：在方案一、二中，通过剪力墙的改变，在剪力墙数量不变的前提下，适当减小墙体厚度，结构的抗侧刚度和地震力便会减小，结构自振周期增大；在方案二、三中，当墙厚不变时，地震剪力随剪力墙数量的减少、开洞率的增大而降低，结构变形也相应增大。故随着墙厚的减小、开洞率的增大，结构刚度在降低。
方案一、二、三之间 X向、Y向平动周期与扭转周期的变化情况如下：
方案一：第1 、 4、7 、8 、13 、16 为 X 向平动周期， 2、 6、 10、 12、15 为 Y向平动周期；第 3、 5、9 、11、14 的扭转成分较大，为扭转周期。
方案二：第 1、 7、8 、13 、16 为 X向平动周期，第2 、4 、 6、 10、12 、 15為 Y向平动周期；第 3、5 、9、 11、 14为扭转周期。
方案三：第1 、4 、7 、8 、13 为 X 向平动周期，第2 、9 、12 、14 、15 为 Y向平动周期；第3 、 6、10为扭转周期。
由此可以看出，方案一、二、三的以扭转为主的第一自振周期 Tt 与以结构平动为主的第一自振周期T1之比，均满足规范要求，且优化后结构扭转成分是在逐渐减少。周期比的对比见表4（a表示方案二周期减去方案一周期的差值再与方案一周期之比；b表示方案三周期减去方案二周期再与方案二周期的比值）。
从表4可以看出：a 值最大为 6.69%，b 值最大为13.94 %，均符合要求；且从对比结果可知，优化后的方案比优化前的结构变得更柔。
2.2 内力特征
地震作用下， 三个模型的最大楼层剪力和反应力的对比见表5。
由表5可以看出： 优化后模型三在地震作用下最大楼层剪力和反应力比模型一有所减小；在模型一中，Y方向的最大楼层剪力比 X 方向的大4.1 %，优化后这个比值降低为 2.7%，说明优化后结构 X、Y 两主轴方向的刚度更接近；同样随着结构的优化，反应力也在逐渐降低，优化后的模型两主轴方向在地震作用下的最大反应力也更接近，说明模型三更有利于抗震。
2.3 变形特征
三种结构方案沿两个主轴方向的弹性层间位移角见表 6。
由表6可以看出：三种方案的弹性层间位移角都符合《建筑抗震设计规范》的规定，即在多遇地震作用下的楼层最大弹性层间位移角均不超过1/1000；模型一的最大层间位移角比规范要求的小很多， 模型二次之，模型三的最接近规范的要求。这说明模型一的结构刚度过大，设计偏保守，优化后的模型三的侧向刚度有较大的降低，而且当刚度降低时，风荷载引起的侧向位移远小于由地震作用引起的，所以地震作用起控制作用。同时由计算结果也可以看出，模型的最大层间位移也在逐渐的增大。
结语
通过对三种方案从不同角度的对比分析可以看出，对剪力墙厚度或数量进行适当调整，使方案三的结构整体在布置上和受力上都处于较方案一、 二更为合理的状态， 且由于方案三在剪力墙的数量和厚度上都比方案一、二有所减少，所以更经济。
参考文献
[1］ GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].
［2］ JGJ3—2010，高层建筑混凝土结构技术规范[S].
［3］ 付丽红.剪力墙结构优化设计探讨[J].华中科技大学学报，2002，19（3）：43-45.
［4］ 王艳军.高层建筑剪力墙结构优化设计浅析[J].山西建筑，2010，36（5）：73-74.
[5］ 姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[J].四川建筑科学研究，2007，
【关键词】 剪力墙结构；优化方案；对比分析
以江西省某小区的一栋高层剪力墙为例， 取地震作用为目标函数，结构的抗侧刚度为设计变量，选择适当的约束条件， 通过逐步改变墙体厚度和数量来得到一个最优的结构抗侧刚度，使整个结构处于最佳受力状态，并且达到最经济的目的。
1 模型的建立
本方案模型为10层剪力墙住宅结构，无地下室，建筑高度为32m 。
1.1 优化前的方案模型
第一种布置方案：根据所提供的建筑资料和高层剪力墙结构布置的基本原则，初步布置剪力墙，墙厚250m，如图 1所示。在第一种方案的基础上，将剪力墙的厚度改为200m，剪力墙数量和长度不变，得到第二方案，平面同图1。
图1 方案一的结构标准层剪力墙布置
1.2 优化后的方案模型
在第二方案的基础上，不改变剪力墙的厚度，而在剪力墙的数量布置上稍作改变，将个别剪力墙删去，部分分户剪力墙缩短，减少中心筒附近的较多的剪力墙，调整 X、Y 方向的抗侧刚度，得到第三方案，如图2所示。
图2 方案三的结构标准层剪力墙布置
2 优化前后三种模型计算结果对比分析
采用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件分别对三种模型进行计算，通过对结构动力特征、内力特征、变形特征等指标来分析剪力墙布置的改变对结构优化设计的影响。
2.1 动力特征中的结构振动周期
三种结构方案对应前16个振型计算的自振周期如表3所示。
GB50011—2010《建筑抗震设计规范》规定：多遇地震作用下剪力墙结构第一自振周期一般约在总层数的 0.06～0.08 倍之间。经过演算得知，三个方案的第一自振周期均符合要求。由表3可以看出：在方案一、二中，通过剪力墙的改变，在剪力墙数量不变的前提下，适当减小墙体厚度，结构的抗侧刚度和地震力便会减小，结构自振周期增大；在方案二、三中，当墙厚不变时，地震剪力随剪力墙数量的减少、开洞率的增大而降低，结构变形也相应增大。故随着墙厚的减小、开洞率的增大，结构刚度在降低。
方案一、二、三之间 X向、Y向平动周期与扭转周期的变化情况如下：
方案一：第1 、 4、7 、8 、13 、16 为 X 向平动周期， 2、 6、 10、 12、15 为 Y向平动周期；第 3、 5、9 、11、14 的扭转成分较大，为扭转周期。
方案二：第 1、 7、8 、13 、16 为 X向平动周期，第2 、4 、 6、 10、12 、 15為 Y向平动周期；第 3、5 、9、 11、 14为扭转周期。
方案三：第1 、4 、7 、8 、13 为 X 向平动周期，第2 、9 、12 、14 、15 为 Y向平动周期；第3 、 6、10为扭转周期。
由此可以看出，方案一、二、三的以扭转为主的第一自振周期 Tt 与以结构平动为主的第一自振周期T1之比，均满足规范要求，且优化后结构扭转成分是在逐渐减少。周期比的对比见表4（a表示方案二周期减去方案一周期的差值再与方案一周期之比；b表示方案三周期减去方案二周期再与方案二周期的比值）。
从表4可以看出：a 值最大为 6.69%，b 值最大为13.94 %，均符合要求；且从对比结果可知，优化后的方案比优化前的结构变得更柔。
2.2 内力特征
地震作用下， 三个模型的最大楼层剪力和反应力的对比见表5。
由表5可以看出： 优化后模型三在地震作用下最大楼层剪力和反应力比模型一有所减小；在模型一中，Y方向的最大楼层剪力比 X 方向的大4.1 %，优化后这个比值降低为 2.7%，说明优化后结构 X、Y 两主轴方向的刚度更接近；同样随着结构的优化，反应力也在逐渐降低，优化后的模型两主轴方向在地震作用下的最大反应力也更接近，说明模型三更有利于抗震。
2.3 变形特征
三种结构方案沿两个主轴方向的弹性层间位移角见表 6。
由表6可以看出：三种方案的弹性层间位移角都符合《建筑抗震设计规范》的规定，即在多遇地震作用下的楼层最大弹性层间位移角均不超过1/1000；模型一的最大层间位移角比规范要求的小很多， 模型二次之，模型三的最接近规范的要求。这说明模型一的结构刚度过大，设计偏保守，优化后的模型三的侧向刚度有较大的降低，而且当刚度降低时，风荷载引起的侧向位移远小于由地震作用引起的，所以地震作用起控制作用。同时由计算结果也可以看出，模型的最大层间位移也在逐渐的增大。
结语
通过对三种方案从不同角度的对比分析可以看出，对剪力墙厚度或数量进行适当调整，使方案三的结构整体在布置上和受力上都处于较方案一、 二更为合理的状态， 且由于方案三在剪力墙的数量和厚度上都比方案一、二有所减少，所以更经济。
参考文献
[1］ GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].
［2］ JGJ3—2010，高层建筑混凝土结构技术规范[S].
［3］ 付丽红.剪力墙结构优化设计探讨[J].华中科技大学学报，2002，19（3）：43-45.
［4］ 王艳军.高层建筑剪力墙结构优化设计浅析[J].山西建筑，2010，36（5）：73-74.
[5］ 姚琦.高层住宅剪力墙结构的优化控制因素探讨[J].四川建筑科学研究，2007，