影響高層框剪結構優(yōu)化設計的主要控制因素研究

崔云靜

【摘 要】建筑結構設計中，對一些不允許出現(xiàn)裂縫或對裂縫寬度有嚴格限制的結構，要滿足這些要求就需要提高工程造價。因此，為了提升建筑的功能與價值，同時降低建造成本，有關于混凝土結構的優(yōu)化設計理論的研究工作受到結構工程界的重視。

【關鍵詞】框剪結構；抗側剛度；優(yōu)化設計；層間位移；建筑造型；空間剛度；結構延性

0 引言

目前，多高層框架剪力墻結構的優(yōu)化設計理論的應用遠遠落后于理論研究。同時，現(xiàn)有的優(yōu)化方法很多是以傳統(tǒng)的數(shù)學模型為優(yōu)化模型，其描述能力和求解方法有相當?shù)木窒扌裕鲆暳似鋸V泛應用性和應該容易被廣大工程人員掌握運用的目的。因此，這些都使現(xiàn)有的框架剪力墻結構優(yōu)化理論和方法在實際應用中受到一定的限制。

1 體型（結構體系）

鑒于框剪力墻結構是現(xiàn)今常用的建筑結構形式，本部分內(nèi)容主要論述該種體系的變形及受力特點。框架剪力墻體系，它兼有框架體系和剪力墻體系兩者的優(yōu)點，其建筑平面布置靈活，也能滿足結構承載力和側向剛度上的要求，能發(fā)揮較大的經(jīng)濟效益。為了增強房屋的抗扭能力，剪力墻宜布置在房屋各區(qū)段的兩端。在平面形狀或剛度有變化時，最好能設置剪力墻，以加強該薄弱環(huán)節(jié)。

在水平力作用下，剪力墻可看作為豎向懸臂彎曲構件進行內(nèi)力分析，其變形曲線呈彎曲型，樓層越高水平位移增長的速度越快，而頂點水平位移值與高度是四次方關系：

均布荷載時：u=■

倒三角形荷載時：u=■

式中：H為建筑總高度；EI為彎曲剛度。

在一般的剪力墻結構中，樓層剪力在各道剪力墻之間是按其等效剛度EI叫的比例進行分配?？蚣茉谒搅ψ饔孟?，其變形曲線為剪切型，樓層越高水平位移增長越大。在純框架結構中，各棍框架的變形曲線類似。所以，樓層剪力按框架柱的抗側剛度D值比例而進行分配。對于框架剪力墻建筑結構，框架與剪力墻之間通過平面內(nèi)剛度無限大（假定）的樓板連接在一起。在水平力作用下，使框架與剪力墻的水平位移協(xié)調(diào)一致，不能各自自由變形，在不考慮扭轉影響的情況下，在同一樓層的水平位移將會相同。因此，框剪結構在水平力作用下的變形曲線應呈反S形的彎剪位移曲線。

2 基礎體系及地下室樓蓋結構造型

基礎工程約占工程總造價的20%-30%左右，因其位于地基下，施工復雜，難度大，所以基礎結構的優(yōu)化設計尤其重要。同時，應該充分重視施工方案的可行性。建筑地下結構的優(yōu)化設計，應包含基礎選型、地下室底板、外墻、頂板結構設計及防水、地下室樓蓋結構選型和上部主體結構嵌固部位構造設計等。其中基礎體系的選擇及地下室樓蓋結構選型是最為主要的。

2.1 帶地下室的建筑基礎體系

1）為保證建筑物不致發(fā)生過量沉降或傾斜，并能滿足正常使用要求，建筑基礎的選取應綜合考慮建筑所在場地的地質(zhì)狀況、水位、其上部結構類型、使用功能、施工條件以及相鄰建筑的相互影響。

2）基礎體系應選用整體性能好，并能滿足地基承載力和建筑物容許變形的要求，同時能適應不均勻沉降，以達到其安全實用和經(jīng)濟合理的目的。

3）對于多層建筑，當?shù)鼗休d力較大，或采用復合地基時，可以優(yōu)先采用獨立樁基基礎。

2.2 地下室樓蓋結構選型

多高層建筑中的地下室，一般都作為地下車庫，樓層層高一般為2.7m-3.3m，所以無梁樓蓋為常見的樓蓋形式。這種樓蓋，可最大限度地增加室內(nèi)凈層高，增強了地下室的使用功能。樓蓋的配筋常用預應力鋼筋，作為上部主體結構的嵌固部位，保證樓蓋的安全適用性。

3 建筑平面造型

高層建筑的外形可以分為板式和塔式兩大類。板式建筑平面兩個方向的尺寸相差較大，分為長、短邊。為了增大一字形板式建筑短方向的抗側剛度，可以將板式建筑平面做成折線形或曲線形。塔式建筑平面兩個方向的尺寸接近或相差不大，其平面形狀有圓形、方形、長寬比小的矩形、Y形、井形、切角的三角形等，高層建筑常采用塔式的建筑平面形式。

建筑平面形狀是簡單規(guī)則的凸平面，如圓形、正多邊形、橢圓形等平面，可以減小風壓。有較多凹凸的復雜形狀平面，如V形、Y形、H形平面等，則對抗風不利。因此，對抗震有利的建筑平面形狀應該是簡單、規(guī)則、對稱、長寬比不大的平面。平面形狀不宜過于狹長，突出部分的長度不宜過大，不宜采用角部重疊或是細腰形的平面形式。平面過于狹長的建筑物，當在風荷載作用下時，有可能出現(xiàn)樓板彎曲。同時，當在地震作用下，有可能由于地震地面運動的相位差而使結構兩端的振動不一致，產(chǎn)生震害，還可能出現(xiàn)樓板平面內(nèi)高振型，這種變形在一般計算方法中無法計算。建筑平面有比較長的外伸（例如L形、H形、Y形等）時，外伸段與主體結構之間會出現(xiàn)相對運動的振型。

4 建筑高度與豎向高寬比

①鋼筋混凝土高層建筑結構的最大適用高度和高寬比分為A級和B級。B級高度高層建筑結構的最大適用高度和高寬比較A級有所放寬，其結構抗震等級和有關的計算、構造措施應符合各規(guī)范相應條文的規(guī)定。

②A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度宜符合《高規(guī)》表4.2.2-1的規(guī)定，短肢剪力墻、筒體結構的最大適用高度應符合《高規(guī)》7.1.2條的規(guī)定。框架剪力墻、剪力墻和筒體結構高層建筑，其高度超過表4.2.2-1規(guī)定時為B級高度高層建筑。B級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度不宜大于《高規(guī)》表4.2.2-2的規(guī)定。

③對高層建筑的高寬比作出限制規(guī)定，目的在于對建筑結構剛度、整體穩(wěn)定、承載能力和經(jīng)濟合理性等各個關鍵性的方面進行造型控制。A級高度高層建筑的高寬比限值見《高規(guī)》表4.2.3-1，B級高度高層建筑的高寬比限值見《高規(guī)》表4.2.3-2。高層建筑的高寬比在滿足限值時，可不進行穩(wěn)定驗算，超過限值時應進行穩(wěn)定驗算。

5 結構平面布置

①建筑的結構應設計成雙向抗側力結構體系，主體結構構件之間不宜采用鉸接連接。當有抗震設計要求時，在兩個主軸方向均應布置剪力墻，增強抗扭及抗震承載變形能力。主體結構構件的中線宜互相重合，結構梁與結構柱中線之間的偏心距不宜大于柱寬的1/4。

②剪力墻的布置宜符合下列要求：剪力墻應均勻對稱地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、恒載較大的部位。在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側不宜同時設置剪力墻。剪力墻的布置宜分布均勻，單片墻的剛度宜接近。剪力墻間距不宜過大，應滿足樓蓋平面剛度的需要，否則應考慮樓蓋平面變形的影響。

6 樓蓋結構體系

①在設計中，運用概念設計理論思想，應該同時綜合協(xié)調(diào)考慮水平分體系和豎向分體系的結構平面布置與類型，以達到理想的承載力、剛度和其他綜合效益的要求。

②樓蓋體系方案的選擇應考慮的因素包括：建筑空間功能要求、跨度、活荷載的大小、規(guī)劃設計或當?shù)匾?guī)文限定的結構層間容許高度等因素。對于高層建筑，工程造價及傾覆力矩、承載能力對高層建筑的建筑高度非常敏感。

③另外，在同樣的設計條件下，不同的樓蓋體系的結構自重也隨之會有所不同，各層的自重通過逐層疊加后，最終傳遞到基礎，從而直接影響基礎的造價。較重的樓蓋結構會要求較大截面尺寸的柱子和剪力墻設計，同時配筋也會增加。因此，增加了工程造價及施工工時。此外，較重的樓蓋結構會加大地震作用下的慣性力，從而加大抗側力構件的抗震補強要求。

7 結束語

總之，在當前結構優(yōu)化程序開發(fā)相對滯后的情況下，開展對框架剪力墻結構整體優(yōu)化設計理論的研究，形成一套優(yōu)化設計理論體系，對于結構優(yōu)化設計理論的不斷豐富和發(fā)展及其推廣，具有重大現(xiàn)實意義。

【參考文獻】

[1]李芳，凌道盛.工程結構優(yōu)化設計發(fā)展綜述[J].工程設計學報，2001.

[2]林德忠.框架：剪力墻結構的剛度優(yōu)化方法[J].河北建筑工程學院學報，2000（9）.

[責任編輯：丁艷]