房屋框架核心簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)研討

葉錦周

摘 要：房屋框架核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)總重量的控制是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，適時(shí)需要以此作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，借助有限元分析軟件，對(duì)框架核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震優(yōu)化。文章選取某高層框架核心筒結(jié)構(gòu)作為案例，在明確結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化目標(biāo)和計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上，深入研討優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)，其他工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可籍此作為參考。

關(guān)鍵詞：房屋；框架；核心筒；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）21-0016-02

1 工程案例

某高層房屋框架核心筒結(jié)構(gòu)工程，擬抗震烈度8 °，層數(shù)24，高度91.5 m，包括底部3層和21層標(biāo)準(zhǔn)層，單位層高分別為5.5 m和3.6 m。由于案例工程處于場(chǎng)地屬III類，最大的地震影響系數(shù)為0.24，設(shè)計(jì)工程師設(shè)定樓面梁體高度的最大值為0.8 m，并在原有邊梁和連梁兩邊寬度值的基礎(chǔ)上，各自加寬至1 m。以上設(shè)計(jì)思路所形成的結(jié)構(gòu)截面尺寸明細(xì)，見表1。

考慮到案例項(xiàng)目位處高烈度區(qū)，不受到結(jié)構(gòu)迎風(fēng)和風(fēng)壓的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)需要將地震作用視為主要影響因素，將抗震優(yōu)化作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，案例項(xiàng)目框架核心筒結(jié)構(gòu)的各指標(biāo)為

柱軸壓比，優(yōu)化前值0.5，規(guī)范限值0.75；

墻軸壓比，優(yōu)化前值0.26，規(guī)范限值0.5；

位移比，優(yōu)化前值1.11，規(guī)范限值1.2；

梁剪壓比，優(yōu)化前值0.18，規(guī)范限值0.2；

周期比，優(yōu)化前值0.75，規(guī)范限值0.9；

位移角，優(yōu)化前值1/1137，規(guī)范限值1/800；

剪重比，優(yōu)化前值6.45%，規(guī)范限值4.8%；

總重量，優(yōu)化前值376 825 kN。

從以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的各項(xiàng)指標(biāo)中，不難看出案例項(xiàng)目結(jié)構(gòu)的位移角不大，而剪重比偏小，側(cè)面顯示結(jié)構(gòu)的剛度偏大，尚存一定的優(yōu)化空間。

2 案例項(xiàng)目框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為保證案例房屋項(xiàng)目框架核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化成效，在設(shè)計(jì)之前，需在設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，明確結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)，進(jìn)而提出具有針對(duì)性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

為解決結(jié)構(gòu)剛度偏大的問題，要將結(jié)構(gòu)總重量作為優(yōu)化的目標(biāo)，適時(shí)要綜合考慮結(jié)構(gòu)吸收地震能量的大小，以及基礎(chǔ)造價(jià)的承受范圍。

2.1.1 約束條件

其中控制構(gòu)件指標(biāo)有柱軸壓比、墻軸壓比、

2.1.2 減壓比

控制整體指標(biāo)有結(jié)構(gòu)位移比、結(jié)構(gòu)周期比、結(jié)構(gòu)位移角。2.1.3 變量設(shè)置

結(jié)構(gòu)的平面布置要呈對(duì)稱狀，而本項(xiàng)目的框架筒結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件連續(xù)，具備豎向傳力與扭轉(zhuǎn)控制的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)置變量時(shí)，在不違背各層截面高度協(xié)調(diào)統(tǒng)一的情況下，分析框架核心筒主梁X向和Y向的功能變化，進(jìn)而協(xié)調(diào)截面寬度和剪力墻厚度。

值得一提的是，固定模數(shù)變化，直接關(guān)系優(yōu)化變量，設(shè)計(jì)時(shí)均以離散標(biāo)量為主，梁和剪力墻的模數(shù)變化均為50 mm，而框架柱的模數(shù)變化為100 mm。至于框架梁和連梁變量的取值范圍確定，高度取值范圍為700～900 mm，寬度取值范圍為200 mm～

300 mm。

綜合以上的優(yōu)化目標(biāo)，借助Hyperstudy軟件，進(jìn)行時(shí)間的仿真分析，研討成本是否節(jié)省，通盤各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最終作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)遴選的唯一依據(jù)。

2.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

圍繞以上的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)，具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

2.2.1 結(jié)構(gòu)總重量

根據(jù)結(jié)構(gòu)總重量的曲線狀，結(jié)構(gòu)總重量和迭代步關(guān)系，如圖1所示。

上圖顯示，結(jié)構(gòu)總重量在第26步時(shí)，介于372 207～379 033 kN范圍，27步時(shí)大幅度下降，直至34步時(shí)達(dá)到最低值，而此時(shí)的梁剪壓比，以及游離于規(guī)范限值之外，小于約束要求的10%。參照結(jié)構(gòu)總重量和迭代步關(guān)系，設(shè)計(jì)時(shí)通過對(duì)梁剪壓比的調(diào)整，完成對(duì)結(jié)構(gòu)總重量的整體和局部控制。

2.2.2 位移比、位移角和結(jié)構(gòu)周期比

三者與迭代步關(guān)系相對(duì)平穩(wěn)，其中位移角在優(yōu)化時(shí)，盡量不超過1/1210～1/913范圍，其中在第34步趨于最大值；結(jié)構(gòu)最大位移始終在1.10～1.12范圍徘徊；結(jié)構(gòu)周期比的變化也相對(duì)平穩(wěn)，基本不脫離0.75值。由此可見，本項(xiàng)目框架核心筒結(jié)構(gòu)的位移比、位移角和結(jié)構(gòu)周期比，基本不需要再次進(jìn)行優(yōu)化，僅按照原來設(shè)計(jì)思路即可。

2.2.3 首層框架部分剪力分配比例和梁剪壓比

優(yōu)化期間，分配第一層框架的部分剪力，分配比例均低于10%，只有在第13步時(shí)區(qū)域最大值10.8%。至于梁的剪壓比，優(yōu)化時(shí)超出規(guī)范值的頻率比較高，其中在第27步時(shí)變化尤為明顯，第34步時(shí)超出限值的16%，需要進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。

2.2.4 剪力墻、柱最大軸壓比

優(yōu)化時(shí)發(fā)現(xiàn)軸壓比變化平穩(wěn)，其中柱徘徊于0.5，墻徘徊于0.26。

2.3 優(yōu)化結(jié)果

通過以上的優(yōu)化，變量順序單獨(dú)變化不大，包括總重量、位移比、位移角、周期比等在內(nèi)，優(yōu)化效果都有明顯的變化。

在第34步時(shí)，梁剪壓比、墻軸壓比的結(jié)構(gòu)位移角，達(dá)到最大值，而結(jié)構(gòu)總重量達(dá)到最小值，結(jié)構(gòu)剛度明顯不夠。但在梁和柱等截面尺寸小幅度增加后，結(jié)構(gòu)總總量才趨于平穩(wěn)，優(yōu)化前后效果如下：

①總重量。

優(yōu)化前376 825 kN，優(yōu)化后358 752 kN，變化率-4.8%。

②第一周期。

Y向優(yōu)化前1.756，優(yōu)化后1.871，變化率6.55%；X向優(yōu)化前1.654，優(yōu)化后1.722，變化率4.11%。

③第一扭轉(zhuǎn)周期。

優(yōu)化前1.319，優(yōu)化后1.375，變化率4.25%。

④周期比。

優(yōu)化前0.751，優(yōu)化后0.751，變化率為零。

⑤最大位移角。

X向優(yōu)化前1/1267，優(yōu)化后1/1200，變化率5.58%；Y向優(yōu)化前1/1137，優(yōu)化后1/1025，變化率10.92%。

⑥最大位移比。

X向優(yōu)化前1.110，優(yōu)化后1.114，變化率0.36%；Y向優(yōu)化前1.087，優(yōu)化后1.081，變化率-0.55%。

⑦基底剪力。

X向優(yōu)化前24 300 kN，優(yōu)化后22 286 kN，變化率-8.29%；Y向優(yōu)化前24 302 kN，優(yōu)化后22 455 kN，變化率-7.6%。

⑧首層減重比。

X向優(yōu)化前6.45%，優(yōu)化后6.21%，變化率-3.72%；Y向優(yōu)化前6.45%，優(yōu)化后6.25%，變化率-3.10%。

⑨首層框架占剪力比例。

X向優(yōu)化前9.11%，優(yōu)化后10.27%，變化率12.73%；Y向優(yōu)化前2.82%，優(yōu)化后14.79%，變化率424.47%。

綜合以上的優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面基本都進(jìn)行了減小，表示結(jié)構(gòu)剛度的變化均勻，并且X向和Y向的基底剪力相仿，不存在明顯的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，優(yōu)化效果較佳。

2.4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

其他房屋框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參照案例項(xiàng)目，以結(jié)構(gòu)總重量作為優(yōu)化的目標(biāo)，選擇梁截面尺寸、柱截面尺寸和墻截面尺寸作為優(yōu)化的參數(shù)，同時(shí)綜合考慮墻軸壓比、柱軸壓比、結(jié)構(gòu)位移比、位移角和梁減壓比等約束條件，借助軟件分析整體結(jié)構(gòu)的抗震成效。

這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有較強(qiáng)的可比性，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)指標(biāo)，比較接近規(guī)范限值，符合設(shè)計(jì)原則“物盡其用”，值得在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中推廣應(yīng)用。

3 結(jié) 語

通過研究，基本明確了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，但考慮到不同房屋框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和條件的差異性，以上方法在其他房屋框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，要結(jié)合實(shí)際工程的設(shè)計(jì)要求和條件，予以靈活地參考借鑒，并在不脫離實(shí)際的情況，在設(shè)計(jì)工作中，歸納總結(jié)出更多科學(xué)合理的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，作為本文研究和補(bǔ)充的內(nèi)容。

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