淺析高層建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

朱方青

摘 要：近年來，隨著城市建設(shè)進程的加快，高層建筑得以快速的發(fā)展起來。目前的高層建筑結(jié)構(gòu)采用框剪結(jié)構(gòu)的較多，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，不僅使建筑的現(xiàn)面空間增大，而且對于抗側(cè)力剛度的提升也具有極為重要的作用。文章對高層建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了具體的闡述，為高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了必要的參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；框剪結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

隨著經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，城市人口不斷增加，建筑用地資源非常緊張，在這種情況下，高層建筑以其大容積率得以在城市中快速發(fā)展起來。高層建筑垂直高度較大，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這就需要選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式，來確保高層建筑的穩(wěn)定性。目前框剪結(jié)構(gòu)不僅能夠有效的確保使用空間的最大化，而且抗側(cè)力剛度也較好，所以在當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中得以廣泛的應(yīng)用。在進行框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要對其設(shè)計進一步優(yōu)化，確保建筑結(jié)構(gòu)能夠更好的滿足建設(shè)可靠性的要求。

2 框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計解析

2.1 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要性

在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，其多數(shù)情況下是通過對以往工程設(shè)計的實踐經(jīng)驗進行參考的基礎(chǔ)上進行的，這樣所提出的設(shè)計方案再對其進一步進行力學(xué)分析，從而在強度、剛度和穩(wěn)定性方面得以進一步校核，從而得出結(jié)構(gòu)模型，這組假定的計算模型如果不能滿足要求，則需要對其進行必要的設(shè)計調(diào)整，然后得出一組截面，但最后得出的截面無法保證其是最好的，其與最初的假定誤差存在著必然的聯(lián)系，合理性有所欠缺。同時在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于有一定的時間限制，再加之結(jié)構(gòu)計算較為復(fù)雜，這就導(dǎo)致后期的設(shè)計調(diào)整并不能多次的進行，無法保證所設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在性能上能夠保證處于最好的狀態(tài)。

雖然結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計過程中基本相同，但通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，有效的確保了產(chǎn)品的性能、安全性和結(jié)濟性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通過計算機來對設(shè)計方案做出正確的選擇，確保了設(shè)計方案的最優(yōu)化。在現(xiàn)代建筑領(lǐng)域中，框剪結(jié)構(gòu)以其良好的受力性和適用性得以廣泛的應(yīng)用，而且通過對其合理造型及優(yōu)化配置，有效的確保了建設(shè)成本的節(jié)約，特別是在當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)的布置還沒有明確的規(guī)定出臺前，為高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了一個充足的理由，使其在高層建筑結(jié)構(gòu)中得以更廣泛的應(yīng)用。

2.2 抗震性能結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 將剪力墻做成四周有梁柱的帶邊框墻。邊框（明框和暗框）可阻止斜裂縫向相鄰發(fā)展，還可在墻板破壞后作承重構(gòu)件代替墻板承重且有一定延性。邊框應(yīng)具有足夠的斜截面受剪承載力，以承擔(dān)因墻身通裂對邊框梁柱引起的附加剪力。

2.2.2 控制每肢墻的高寬比。必要時可設(shè)結(jié)構(gòu)洞口或結(jié)構(gòu)豎縫使變成雙肢墻或多肢墻，可控制裂縫和屈服部位出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)豎縫和洞口連梁處，形成耗能機構(gòu)，同時使原剪力墻一分為二，剛度降低，避免發(fā)生剪切破壞和底部墻體過早屈服。

2.2.3 剪力墻的剛性連梁，其跨高比往往僅為1左右。而試驗表明：當(dāng)連梁的跨高比為5時，延性和耗能很好，連梁兩端相對豎向位移的延性系數(shù)都在8以上，滯回曲線也相當(dāng)飽滿；當(dāng)跨高比降至1時，延性系數(shù)則降至3左右，滯回曲線嚴(yán)重捏擾，耗能很小，最后彎剪破壞。因此，需要對它的組成和構(gòu)造采取一定措施。措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通縫，在縫的上、下兩側(cè)各埋置鋼板，鋼板上開有橢圓形螺栓孔，用高強螺栓把兩鋼板連結(jié)。在豎載、風(fēng)載和小震下，高強螺栓把水平通縫分開的兩部分連梁連結(jié)成整體工作，使連梁具有一定的“剛性”。在大震作用時，兩鋼板發(fā)生相對滑動，原來跨高比為1的剛性連梁將被分成兩根跨高比為2的小梁協(xié)同工作，試驗表明，這樣可使延性系數(shù)由原來的3提高為10左右。

2.3 高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中所采用的框剪結(jié)構(gòu)，其實是框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，框剪結(jié)構(gòu)體系由這兩部分組成，不僅為建筑提供了較大的平面使用空間，而且具有良好的抗側(cè)力剛度，在目前不同使用功能的高層建筑中都得以廣泛的應(yīng)用。但在進行框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要對框剪結(jié)構(gòu)的受力和變形特點進行充分的重視，以避免結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的不合理而導(dǎo)致不必要的成本浪費?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是由梁柱線性桿件組成的一種結(jié)構(gòu)，在側(cè)向力作用下，框架的受力特點相當(dāng)于豎向懸臂剪切梁，其變形呈剪切型變形故其水平力按照各框架的抗側(cè)剛度D比例分配。剪力墻類似于一個豎向懸臂彎曲結(jié)構(gòu)，其變形呈彎曲變形，在剪力墻結(jié)構(gòu)中，所有抗側(cè)力構(gòu)件均有很大的抗彎曲剛度，其側(cè)移變形都是類似的。且水平力按其等效剛度EI比例分配。

2.4 高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

在框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計計算過程中，最為常出現(xiàn)的問題就是當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不規(guī)則時的調(diào)整問題，只有設(shè)計人員多次對結(jié)構(gòu)模型進行調(diào)整后才能確保結(jié)構(gòu)達到規(guī)范要求的指標(biāo)。但在調(diào)整時由于受制于建筑要求，往往無法對剪力墻結(jié)構(gòu)布置進行大的調(diào)整，這就需要對連梁和局部墻厚進行微調(diào)，但這根本起不到有效的調(diào)整效果，往往導(dǎo)致調(diào)整后的不良效果產(chǎn)生。在這種情況下，就需要設(shè)計人員要有整體的觀念，找出最大位移的節(jié)點后，再對整體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性做整體性的判斷。在對結(jié)構(gòu)調(diào)整時要注重對稱性，通過對整體結(jié)構(gòu)的受力情況進行充分協(xié)調(diào)，從而對墻肢應(yīng)力分配不均的情況進行有效的改善，盡量減少扭轉(zhuǎn)不規(guī)劃性的情況發(fā)生，從而達到預(yù)期的調(diào)整效果。

由于當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，而框剪結(jié)構(gòu)充分的發(fā)揮了兩種不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，而且各結(jié)構(gòu)的缺陷又得到有效的制約，所以在當(dāng)前不同功能的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中都具有可行性。而且通過對建筑結(jié)構(gòu)的整體布置進行優(yōu)化后，也有效的確保了調(diào)整的效果，使調(diào)整更具規(guī)劃性和完美性。

2.5 剪力墻布置應(yīng)注意的問題

2.5.1 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(yīng)盡量拉通、對直，以具有較好的空間工作性能；抗震設(shè)計時，應(yīng)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。剪力墻平面布置應(yīng)盡可能做到規(guī)則，避免過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

2.5.2 縱、橫向剪力墻宜組成L形、T形和匚形等形式，以使縱墻（橫墻）可以作為橫墻（縱墻）的翼緣，從而提高其剛度、承載力和抗扭能力；樓、電梯間等豎井宜盡量與靠近的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)結(jié)合布置，以增強其空間剛度和整體性。

2.5.3 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。錯洞剪力墻和疊合錯洞墻都是不規(guī)則開洞的剪力墻，其應(yīng)力分布比較復(fù)雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規(guī)計算無法獲得其實際應(yīng)力，構(gòu)造比較復(fù)雜，因此宜避免使用錯洞墻和疊合錯洞墻。

3 結(jié)束語

綜上所述，高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計對建筑的安全，城市土地面積的規(guī)劃具有非常重要的意義，因此在今后的設(shè)計或者研究中，應(yīng)該加強重視框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計，布置合理性及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

參考文獻

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