胡杰云 裴麗敏 楊 予

(1.浙江理工大學建工學院土木系，浙江杭州 310018; 2.杭蕭鋼構股份有限公司，浙江杭州 310003)

異形柱結構方案在協(xié)調多層住宅建筑外觀設計和內部空間利用上具有一定優(yōu)勢，得到了廣泛的應用。因布置方案選擇上具有多樣性，其優(yōu)化設計理論得到了越來越多的關注。例如:文獻［1］對異形柱結構在地震作用下的性能進行了分析，闡述了優(yōu)化措施和節(jié)點構造措施;文獻［2］～［4］則從豎向構件的平面布置的研究中得出結構的優(yōu)化方案，不足之處是忽略了梁板柱之間的相互影響，而僅僅考慮了豎向構件的布置;文獻［5］中建立了以抗側移剛度為目標函數，基于連續(xù)函數的數學模型。但實際應用中，因受到規(guī)范、建筑設計及模數的限制，結構構件尺寸和側向剛度并不能連續(xù)變化，解析方法得出的最優(yōu)解往往難以直接采用。根據上述研究現(xiàn)狀，下面要探討的是一種在工程中具有實用性和可操作性的異形柱結構優(yōu)化設計方法。

1 優(yōu)化設計方法

異形柱住宅結構優(yōu)化設計方法由如下幾個步驟構成:1)設定優(yōu)化目標。建筑或結構功能要求在某些位置采用異形柱或剪力墻，但剪力墻過多易導致總造價上升，異形柱過多則易導致抗震能力下降，一般需在保證安全性的要求下兼顧經濟性，可通過多方案綜合性能對比評判來解決多目標的協(xié)調問題。2)選擇典型結構方案。通過分析工程概況，在滿足建筑功能要求條件下，依照經驗選擇幾種可行的異形柱結構布置結構方案，及相應水平構件布置方案。3)結構分析。利用結構分析設計軟件(如PKPM等)對各方案進行分析計算，得到相關結果，并整理為圖表形式，以便為后續(xù)比較分析提供數據支持。4)整體抗震性能比較。通過對各個結構方案的結構自振周期、結構最大位移、位移角、最大樓層剪力的比較，綜合比較評判各結構方案的整體抗震性能，同時還須注意使各項指標滿足規(guī)范要求，否則應相應修改方案。5)構件受力性能比較。構件受力性能的分析主要著眼于構件的延性，對各結構方案中的柱、墻、梁三種主要受力構件進行軸壓比、剪壓比、剪跨比等規(guī)范要求的典型指標進行比較分析。6)經濟性能分析。主體結構的經濟性主要體現(xiàn)在單位體積含鋼量和混凝土用量這兩項指標，根據這兩項指標還可以進一步得出結構方案的總材料造價，為評判相對較優(yōu)的結構方案提供便利。7)綜合比較評判得出結論。綜合上述分析結果進行比較和評判，得到符合優(yōu)化目標的較優(yōu)結構方案。

在完成整體結構方案的優(yōu)化后，還可多次重復上述步驟進行細部結構的優(yōu)化設計和選擇。

2 優(yōu)化設計實例

作為實例，利用上述方法對某7層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結構進行優(yōu)化設計。該建筑總面積3 850.98 m2，屋面板頂面標高19.6 m，采用輕質填充墻和隔墻，工程所在地抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，地震分組第一組，場地類別Ⅱ類。

2.1 設定優(yōu)化目標

在滿足建筑功能要求和相關規(guī)范的條件下，綜合考慮評判結構整體抗震性能、構件延性和經濟性，最終獲得相對較優(yōu)的方案。

2.2 選擇典型結構方案

根據建筑方案外觀和內部空間隔斷的要求，選擇五個典型結構布置方案作為對比，如圖1所示，具體說明如下:

方案1為矩形柱框架結構，該形式具有傳力明確，施工方便等優(yōu)勢，柱網布置尺寸也很簡單規(guī)律。方案2為異形柱框架結構，異形柱中的較長肢布置在Y(沿1軸)方向，考慮到異形柱性能特點，在一些受力復雜區(qū)域布置了矩形柱。

方案3，4，5均為異形柱框剪結構，但細節(jié)設計上有所不同。方案3在建筑外墻以及轉角凸出部分，多布置剪力墻。墻體較長墻肢多布置在Y方向。方案4在多處建筑轉角處、梁跨度較大處布置了斷肢剪力墻，墻體的較長墻肢多布置在Y軸方向。但在樓梯間則布置了一道沿X(沿A軸)方向較長的剪力墻，以提高X方向剛度。方案5改善了方案2中一些受力復雜的建筑轉角外凸處的異形柱為剪力墻，且簡化了梁的布置(板做相應調整)。

2.3 結構分析

由于涉及框架和剪力墻結構的分析計算，為保證對比的一致性，諸方案均采用PKPM多層及高層建筑結構分析系列軟件中的SATWE模塊進行分析計算。

2.4 整體抗震性能比較

自振周期是衡量地震作用，結構體系剛度以及抗力大小的一個指標，取前3階振型進行比較，各方案計算結果見表1。

從表1可見，方案1～方案4結構剛度依次遞增，方案5為在方案2的基礎上加強了結構較薄弱處。比較可見框剪結構方案的剛度明顯高于框架結構，而方案3的X與Y方向的自振周期非常接近，二者的平動系數清晰明確，說明其結構平面內質心與剛心重合較好，有利于抗震。這與異形柱框—剪結構方案中，剛度較大的長墻集中對稱布置在結構兩端和中間，且兩個方向的剪力墻布置較均勻有關。

圖2和圖3給出了各方案隨著樓房高度的增加，水平荷載下結構的側向變形。

圖1 五個典型結構布置方案

由圖2，圖3可見，五種方案中3，4，5結構方案位移明顯要小，并且層間位移上下均勻連續(xù)，沒有明顯的薄弱層;方案2結構位移小于方案1，且位移角與方案3接近;方案1位移曲線呈剪切型，曲線底部發(fā)生突變，樓層薄弱部位明顯，抗震不利;方案2最大的問題是X，Y方向上的剛度差異較大，使得X，Y方向上的層間位移差異也很大。綜合起來方案3，4，5的抗震性能較好。

2.5 構件受力性能比較

考慮到實用性，從延性角度來分析墻、柱、梁三種構件的受力狀況較合適。對于柱、墻考慮軸壓比、剪重比與剪跨比等指標的對比;對于梁，由于構件延性基本由構造控制，僅進行其剪壓比指標的對比。限于篇幅，此處僅列出部分具有代表性梁的對比結果，見表2。

從表2可見，框架—剪力墻的剪壓比較大，這是由于這幾根梁在方案中都有一端或兩端與剪力墻相連，承受更大的剪力的緣故。比較1，2兩方案的梁剪壓比，方案3的剪壓比較大，這是該形式梁的跨高比較大的緣故。方案3，4的剪跨比都較大，其中方案3即矩形柱框架剪力墻方案的剪壓比最大。由上述比較結果可得:方案5＞方案2＞方案1＞方案4＞方案3。

表1 結構自振周期

圖2 最大樓層位移曲線比較圖

圖3 最大層間位移角曲線比較圖

表2 梁剪壓比

2.6 經濟性分析

按市場調查，可在同等條件下估算各結構方案樓板、梁、柱、剪力墻所需總材料費及單位面積材料費，列于表3中。

表3 材料費統(tǒng)計表 萬元

2.7 綜合評判

通過抗震性能和造價指標的綜合評判，可以確定方案5為最優(yōu)方案，理由是:

1)方案5可通過墻面裝飾如抹灰厚度等工程方式調整差距，建筑整體上較美觀;2)其柱網布置跨度較大，可簡化梁的布置，傳力更簡潔合理，在抗震性能方面有更好的表現(xiàn);3)內力分析結果表明整體抗震性能良好，構件延性優(yōu)于其他方案;4)經濟性上，異形柱框架結構方案的造價僅高于方案1矩形柱方案，性價比最高。

3 結語

該優(yōu)化設計方法的優(yōu)點是可操作性好，還可采用先整體方案后細部結構的方法，進行多層次優(yōu)化。由實例分析可知，該方法采用量化分析手段顯然比單純依靠經驗和感覺更為可靠準確，影響因素的考慮更充分。不足之處是要求設計人員具有一定的設計經驗能布置出與建筑方案協(xié)調的較優(yōu)結構方案，且計算工作量偏大。今后可以考慮利用數據庫的方式批量生成多個可能結構方案的相關參數，并導入結構分析軟件中進行計算，最后按該方法的原理編制相關程序自動生成性能圖表曲線來簡化分析比較過程。

［1］ 楊紀紅.有抗震要求的多層住宅異形柱框架結構設計及優(yōu)化措施分析探討［J］.中外建筑，2010(4)：122-123.

［2］ 劉禮聯(lián).小高層住宅短肢剪力墻結構設計優(yōu)化措施分析探討［J］.中外建筑，2010(5)：165-167.

［3］ 賈 園，朱杰江.某小高層住宅樓的結構優(yōu)化設計［J］.工業(yè)建筑，2006(S1)：328-330.

［4］ 何 玲，楊正海，潘 文.異形柱結構對平面布置的要求［J］.建筑結構，2007，37(7)：11-13.

［5］ 秦 力，宋玉普，張秀文.中高層異形柱框—剪結構的剪力墻抗側剛度優(yōu)化［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2004，36(8)：1103-1106.