淺談高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計

張俊清

(大連理工大學(xué)土木設(shè)計研究院 116023)

淺談高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計

張俊清

(大連理工大學(xué)土木設(shè)計研究院 116023)

隨著城市土地面積的大規(guī)模的開發(fā)，高層建筑受企業(yè)追捧。本文主要分析高層建筑的設(shè)計、經(jīng)濟性等方面對高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計影響，望提供一定的借鑒意義。

高層建筑 框剪 結(jié)構(gòu)

一、前言

如今高層建筑已經(jīng)成為城市建筑的重點，近年來高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)引起了社會各界的廣發(fā)關(guān)注，有關(guān)于高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，還需進一步探討，進一步進行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

二、框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計解析

1.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要性

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法一個很大的局限在于所按照要求得到的截面并非是最佳截面，而且建設(shè)完成后的工程結(jié)構(gòu)存在一些缺點，例如質(zhì)量大、造價高等，這與其設(shè)計過程密不可分。一般而言，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循以下程序：參照——估計——分析——驗算——調(diào)整。也就是所使用的設(shè)計方案是在已有工程設(shè)計實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上提出來的，之后，在從強度、剛度以及穩(wěn)定性等多個方面采用力學(xué)分析的方式對其進行安全校核，如果驗算結(jié)構(gòu)不滿足要求就要進行設(shè)計調(diào)整。然而該驗算時所假定的計算模型難以保證合理，最后得到一組截面，在很大程度上取決于最初假定的誤差程度，再者，設(shè)計時迫于時間及結(jié)構(gòu)計算的復(fù)雜性往往決定了調(diào)整的次數(shù)是有限的，因而設(shè)計出的最終產(chǎn)品難以保證是最優(yōu)的。而結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計雖然與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一樣的設(shè)計過程，但產(chǎn)品的良好性能、產(chǎn)品所具備的的高安全性以及高經(jīng)濟性是其設(shè)計的主要目的。并且產(chǎn)品的高經(jīng)濟性與高安全性是從結(jié)構(gòu)的體積最小、質(zhì)量最輕以及產(chǎn)品造價最低等三個方面進行衡量的。而且，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一個最大特點是對設(shè)計中出現(xiàn)的一系列問題按照數(shù)學(xué)規(guī)劃的方式對其解決，然后再利用計算機，對眾多方案進行比較，并從中選出最優(yōu)的設(shè)計方案，這是傳統(tǒng)設(shè)計過程所不能比擬的?？蚣芤患袅Y(jié)構(gòu)以其良好的受力性和適用性在現(xiàn)代高層建筑領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛?，F(xiàn)階段，隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑物的數(shù)量只增不減，面對這種情況，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的合理選擇以及優(yōu)化對降低造價、提高建筑質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)意義。然而目前在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中，對高層建筑的結(jié)構(gòu)選型、合理布置等的相關(guān)規(guī)定尚未完善，存在一些不足，這就為高層框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了充足的設(shè)計理由。

2. 抗震性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，為了有效提高高層建筑的抗震性能，可以將剪力墻設(shè)計成四周有梁柱的并且?guī)в羞吙虻膲ΑＶ饕且驗?，邊框墻可以使斜裂縫向相鄰墻面擴展的現(xiàn)象得以避免，而且當(dāng)墻板遭到破壞后，還看將其作為承重構(gòu)件，起到承重的作用。除此之外，設(shè)計的邊框還能夠?qū)σ驂ι硗褜吙蛄褐a(chǎn)生的附加剪力起到承載的作用。

其次，對每肢墻的高寬比進行合理的控制。雙肢墻或多肢墻的設(shè)計,可以使出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)豎縫和洞口連梁處的裂縫和屈服部位得到有效的控制，同時還能夠降低其剛度，從而避免剪切破壞或者是底部墻體過早屈服現(xiàn)象的發(fā)生。

最后，剪力墻的剛性連梁，其跨高比一般為1。當(dāng)連梁的跨高比為5時，具有較好的延性和耗能，并且連梁兩端相對豎向位移的延性系數(shù)都高于8，滯回曲線的飽滿度也比較高；當(dāng)跨高比降至 1時，延性系數(shù)則也會隨之降低，達到 3，并且滯回曲線遠遠偏離飽滿度，最終導(dǎo)致彎剪遭到破壞。因此，需要對其組成和構(gòu)造進行相應(yīng)的改進。即在梁高的一半位置處留一水平通縫，并在縫的上、下兩側(cè)各埋置一個開有橢圓形螺栓的鋼板，最后用高強螺栓將兩個鋼板連結(jié)在一起，從而使連梁具有一定的“剛性”功能。如果在大震的作用下,導(dǎo)致兩鋼板有相對滑動現(xiàn)象的發(fā)生，此時就會使剛性橋梁工作時跨高比由1變?yōu)?，并且延性系數(shù)提高了3倍多。

3. 高層框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

在現(xiàn)階段的高層建筑中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計大多采用高層框剪結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要是由兩部分組成，框架結(jié)構(gòu)以及剪力墻結(jié)構(gòu)。高層框剪結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，主要是因為該種結(jié)構(gòu)不僅具有較強的抗側(cè)力剛度，還能為建筑的使用提供一個更大的平面空間。但是在對該結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的過程中出現(xiàn)的一些問題會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案存在缺陷,致使浪費現(xiàn)象嚴重。因此，在設(shè)計中應(yīng)該對框剪結(jié)構(gòu)的受力和變形特點引起高度的重視。高層框架結(jié)構(gòu)主要是由梁柱線性桿件組成的。剪力墻和豎向懸臂彎曲結(jié)構(gòu)相似,并且呈彎曲變形。在剪力墻結(jié)構(gòu)中,所有抗側(cè)力構(gòu)件具有的抗彎曲剛度較大,并且側(cè)移變形相同，其中水平力按其等效剛度EI比例進行分配。

4. 高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

框剪結(jié)構(gòu)在設(shè)計中，經(jīng)常會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不規(guī)則的情況此時相關(guān)設(shè)計人員需要對結(jié)構(gòu)模型進行調(diào)整直至符合要求。在調(diào)整過程中，首先對剪力墻結(jié)構(gòu)的布置進行調(diào)整。但是由于調(diào)整的方式與建筑要求不相符，而取消該種調(diào)整方式。在這種情況下，設(shè)計人員將對剪力墻結(jié)構(gòu)布置的調(diào)整轉(zhuǎn)變?yōu)閷B梁和局部墻厚的微調(diào)。由此可見，頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的方法對解決整體模型的計算調(diào)整工作并未達到令人滿意的效果。以該工程為例，只對某一部分連梁的進行放大，這樣只是使整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分配和傳遞以及結(jié)構(gòu)的規(guī)則性得到了改變，但是極易造成第一調(diào)整后不良結(jié)果的產(chǎn)生。因此，在對高層建筑框剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化中必須有一個整體的概念。即首先要找出最大位移出現(xiàn)的節(jié)點，在該節(jié)點附近對整個結(jié)構(gòu)的規(guī)則性做整體性的判斷。然而第二次調(diào)整的失敗讓我們意識到對薄弱節(jié)點的局部進行調(diào)整，只不過是重復(fù)第一次調(diào)整的錯誤。為了達到更好的效果，應(yīng)該對其整體進行考慮，從墻肢厚度到連梁剛度以對稱性的方式地對其結(jié)構(gòu)進行調(diào)整和改進，同時對連梁和與墻連接的框架梁對整體結(jié)構(gòu)的受力協(xié)調(diào)作用引起高度的關(guān)注。這樣才能夠使墻肢應(yīng)力分配的不均勻性得到改善，達到良好的調(diào)整效果。總之，框剪結(jié)構(gòu)在結(jié)合兩種不同結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，有效避免了各自的缺陷，為復(fù)雜系數(shù)越來越高的商業(yè)高層建筑提供了結(jié)構(gòu)設(shè)計上的可行性，從而在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該從整體方面對結(jié)構(gòu)布置進行調(diào)整，從而更好的完成該類結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)計算工作。只有在建筑要求極為嚴苛，并且是不得已而進行的情況下，才可對工程設(shè)計進行局部微調(diào)。在建筑條件允許的情況下，可以對結(jié)構(gòu)的整體布置不斷進行優(yōu)化，使其達到更完美、更規(guī)則的調(diào)整效果。

5.剪力墻布置的注意事項

一方面，剪力墻最好是沿主軸方向或其他方向雙向進行布置，處于不同方向的剪力墻應(yīng)分別相互連接，同時為了保證剪力墻具有良好的空間工作性能，在連接時應(yīng)應(yīng)盡量拉通、對直；在進行抗震設(shè)計的過程中，為了使其具有更強的抗震性能，應(yīng)保證兩個方向側(cè)向剛度以及自振周期各自相相近。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)。

一方面，縱、橫向剪力墻最好按照L形、T形和匚形等組成形式進行組合，從而使縱墻作為橫墻的一個翼緣，以達到提高剛度、承載力以及抗扭能力等方面的目的。

另一方面，剪力墻具有較大的側(cè)向剛度及承載力，為了能夠使剪力墻的能力得到充分利用，并且具有適宜的側(cè)向剛度，剪力墻布置不宜過密，應(yīng)盡量減輕結(jié)構(gòu)自重，并且增大結(jié)構(gòu)的可利用空間；若側(cè)向剛度過大，不僅會增加自身的重量，還會減弱抗震能力。

此外，錯洞剪力墻和疊合錯洞墻都是屬于不規(guī)則開洞的剪力墻，不僅有著較為復(fù)雜的應(yīng)力分布和構(gòu)造，而且在常規(guī)計算中無法準確獲取其實際應(yīng)力。因此，宜避免使用錯洞墻和疊合錯洞墻

三、結(jié)束語

綜上所述，高層建筑框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的對建筑的安全，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。

TU7

B

1007-6344（2015）02-0156-01