建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施探討

【摘要】框剪結(jié)構(gòu)是建筑設(shè)計(jì)中常用的結(jié)構(gòu)方式，有著多種優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅要考慮其使用的功能，同時(shí)也要保證其安全性和經(jīng)濟(jì)合理性。本文主要介紹建筑框剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案措施，以保證框剪結(jié)構(gòu)發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】框剪結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；措施；內(nèi)力分析

框剪結(jié)構(gòu)是一種框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)體系。框剪結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)中由于擁有較大的平面空間，其抗震性和整體性能都相對(duì)較為良好，因此在建筑中得到非常廣泛的應(yīng)用，適合用于很多大型高層公共建筑設(shè)計(jì)。目前來(lái)看，這種結(jié)構(gòu)能夠更好的發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)，并且為建筑提供了更好的設(shè)計(jì)方案，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，依然存在著種種問(wèn)題，需要更好的解決。

1、基本概況

1.1結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì)需要根據(jù)不同的環(huán)境來(lái)進(jìn)行，在設(shè)計(jì)中，裙房部分要考慮荷載效應(yīng)的發(fā)生，主樓的部分也要考慮豎向的荷載效應(yīng)，同時(shí)對(duì)于水平地震作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)也要加以重視。因此裙房結(jié)構(gòu)需要采用混凝土框架結(jié)構(gòu)的形式，而主樓采用框架一剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。

由于主樓的抗側(cè)力構(gòu)件是重要的部分，在設(shè)計(jì)中剪力墻要承擔(dān)主要水平荷載，同時(shí)框架承擔(dān)少部分水平荷載作用和大部分的豎向荷載作用。如果要提高主樓的抗扭能力，在設(shè)計(jì)中要加強(qiáng)剪力墻和樓梯主樓結(jié)構(gòu)的相互位置，其中主要要注意建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形限值，將其進(jìn)行綜合匹配，以剛度、承載力和延性來(lái)進(jìn)行綜合。

1.2建筑縫的處理設(shè)計(jì)

建筑縫的處理設(shè)計(jì)是通過(guò)主樓和裙房之間的連接部分來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于主樓和裙房有著本質(zhì)的不同，兩者連接處需要設(shè)計(jì)出防震縫和沉降縫。防震縫的設(shè)計(jì)是為了減少主樓和裙房之間出現(xiàn)較大的縫隙，從而增加裙房的防水難度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也需要將主樓和裙房看做一個(gè)整體的設(shè)計(jì)方案來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。而沉降縫的部分是主樓按照實(shí)際的需要，將主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成樁基礎(chǔ)，與此同時(shí)，裙房的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成柱下條形基礎(chǔ)，二者在調(diào)整彼此間的不均勻差，從而保證設(shè)計(jì)的合理性。這也是建筑縫最常見(jiàn)的處理設(shè)計(jì)方式。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

高層的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用較多的方式是鋼筋混凝土框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，這種體系的建立有效的提高了框架結(jié)構(gòu)的靈活性，并且更好的提升了使用空間，使建筑更為優(yōu)質(zhì)。由于剪力墻結(jié)構(gòu)的整體性相對(duì)較好，因此也保證了建筑結(jié)構(gòu)的完好。在一定條件下，采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效的提高水平變形曲線能力。然而鋼筋混凝土一剪結(jié)構(gòu)具有多種效果，從力學(xué)的角度來(lái)進(jìn)行分析的話，存在著一定的難度，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)也難以完成。因此，及時(shí)國(guó)內(nèi)外很多的專(zhuān)家進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)，但框剪結(jié)構(gòu)中依然存在著很多難以解決的問(wèn)題，解決在這些問(wèn)題，對(duì)于提高工程質(zhì)量和科學(xué)的發(fā)展也有著重要的意義和積極的作用。

2.1框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個(gè)多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)，其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后，根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果，由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化，各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化，據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過(guò)程，計(jì)算結(jié)果雖不總能等價(jià)于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，但通常能給出工程實(shí)用的滿意結(jié)果。

鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟為：

（1）初始選型：根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計(jì)使用功能，分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線，并考慮施工因素，歸并框架梁、柱的類(lèi)型，初選梁柱的幾何尺寸；

（2）結(jié)構(gòu)分析：按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何構(gòu)造特征，計(jì)算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載，對(duì)鋼筋砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力，根據(jù)其大小進(jìn)行分類(lèi)，并確定每一類(lèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力；

（3）截面優(yōu)化設(shè)計(jì)：截面優(yōu)化設(shè)計(jì)是對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行控制的過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程中，保證其整體設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量是關(guān)鍵的步驟；

（4）可行性判斷：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理，作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整，直到方案可用為止。

2.2框—剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

框—剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面的優(yōu)化問(wèn)題：一是結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策，二是框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計(jì)，三是框架—剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

高層框—剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作問(wèn)題，主要是水平荷載在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的分配設(shè)計(jì)，因此剪力墻數(shù)量和位置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問(wèn)題。這里，我們將框）剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程分為三個(gè)階段進(jìn)行，對(duì)不同階段的不同問(wèn)題，采取不同的優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）第一階段：最優(yōu)設(shè)防水平Id的優(yōu)化決策

以地震的危險(xiǎn)性為前提，分析地區(qū)地震的相關(guān)強(qiáng)度，從而評(píng)測(cè)出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，在進(jìn)行設(shè)計(jì)前，將相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)測(cè)，從而把設(shè)計(jì)方案綜合在內(nèi)。

（2）第二階段：剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合，可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移，結(jié)構(gòu)延性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來(lái)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移和頂點(diǎn)總側(cè)移的限值來(lái)控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。

（3）第三階段：框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則，在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對(duì)框）剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、結(jié)論

綜上所述，框剪結(jié)構(gòu)存在著框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，融合了二者之間的優(yōu)勢(shì)，其效果也得到了更好的互補(bǔ)，如果涉及合理的話，優(yōu)勢(shì)將會(huì)更為突出，對(duì)于建筑物整體性能的提高有著重要的作用。所以，我們?cè)谶M(jìn)行研究的過(guò)程中，要進(jìn)行綜合的考量，設(shè)計(jì)時(shí)要在整體的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的布置，從而分析出其中的優(yōu)勢(shì)和不足，以便更好的進(jìn)行調(diào)整，使建筑的受力充分的均勻，這樣不僅保證建筑質(zhì)量，同時(shí)也有效的提高了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于我國(guó)建筑業(yè)未來(lái)的發(fā)展也有著積極的促進(jìn)作用。

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