孫德才

（重慶都興建筑設(shè)計有限公司 重慶渝北 401120）

建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

孫德才

（重慶都興建筑設(shè)計有限公司 重慶渝北 401120）

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，我國各行各業(yè)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，建筑工程設(shè)計行業(yè)更是呈現(xiàn)出了新的特點?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是當(dāng)前城市建筑的重要形式，因其穩(wěn)定性高、抗震性能好以及節(jié)省鋼筋混凝土的使用等特點獲得了廣泛的使用。本文以建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為中心展開討論，從建筑造型、剪力墻數(shù)目和結(jié)構(gòu)布置三個角度分析了建筑框剪結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計，并通過建筑設(shè)計實例進(jìn)行了論述，具有一定借鑒價值。

建筑；框架剪力墻；設(shè)計；優(yōu)化

引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，為了提升城市土地利用效率，大量的高層、超高層建筑開工建設(shè)，極大的促進(jìn)了建筑工程建設(shè)行業(yè)的發(fā)展?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)是當(dāng)前高層建筑的基礎(chǔ)構(gòu)成形式，同時也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)關(guān)注研究的重點。可見研究分析框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本影響要素，通過合理的協(xié)調(diào)解決剪力墻數(shù)量與位置能夠有效的提升建筑整體質(zhì)量。本文正是基于以上考慮探討了框架剪力墻結(jié)構(gòu)的基本優(yōu)化要點，通過實例進(jìn)行了分析，旨在為同行提供一定參考。

1 建筑框剪結(jié)構(gòu)造型優(yōu)化設(shè)計分析

1.1 建筑整體造型

在普通的剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，樓層剪力在每一道剪力墻之間是根據(jù)其等效剛度EIeq的比例來分配的。框架在水平力的作用下，其變形曲線為剪切型，樓層如果越高則水平位移的增長就越大。對框架剪力墻的建筑結(jié)構(gòu)，框架與剪力墻之間從平面內(nèi)剛度無限大（假定）的樓板進(jìn)行連接。在水平力的作用下，使得框架和剪力墻的水平位移保持一致，不可以各自自由變形，在沒有考慮扭轉(zhuǎn)因素的情況下，相同樓層的水平位移也是相同的。所以，框剪結(jié)構(gòu)在水平力的作用下變形曲線應(yīng)該是呈現(xiàn)反S形的彎剪位移曲線。圖1是框架剪力墻結(jié)構(gòu)受力特征。

圖1 框架剪力墻結(jié)構(gòu)受力特點

1.2 建筑平面造型

對抗震有利的建筑平面形狀應(yīng)該是簡單、規(guī)則、對稱、長寬比不大的平面。平面形狀不可以太狹長，突出部分的長度也不可以過大，不可以采用角部重疊或是細(xì)腰形的平面形式。另外，在地震的作用下，將會因為地震地面運動的相位差而使得結(jié)構(gòu)兩端的振動不一致，出現(xiàn)震害，還會導(dǎo)致樓板平面出現(xiàn)內(nèi)高振型，這種變形在一般計算方法中無法計算。建筑平面有比較長的外伸（例如L形、H形、Y形等）時，外伸段與主體結(jié)構(gòu)之間會出現(xiàn)相對運動的振型。

2 建筑框剪結(jié)構(gòu)剪力墻數(shù)量優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 剪力墻合理數(shù)量的下限

《高規(guī)》5.1.3條當(dāng)中明確的規(guī)定：在框架剪力墻結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)剪力墻部分的地震傾覆力矩不大于50%結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的情況下，對于其框架部分一定要根據(jù)純框架抗震等級來采用。這表示剪力墻數(shù)量最少應(yīng)該達(dá)到＞50%總地震彎矩的需求，另外一個要求是功能方面的要求，也就是對于變形限值的要求，剪力墻的數(shù)量至少要確保達(dá)到側(cè)向力下的水平位移限值的要求。

2.2 剪力墻合理數(shù)量的上限

相關(guān)規(guī)范規(guī)定在框剪結(jié)構(gòu)里面每一層框架所承受的總剪力最少是1.5Vmaxf或者是0.2Vo兩者中小值（Vmaxf為每一層框架部分所可以承擔(dān)總剪力的最大值）。規(guī)范的規(guī)定是非常合理的，這樣可以方便框架發(fā)揮其抗側(cè)力的性能。所以剪力墻數(shù)目的最大值應(yīng)該是以可以最大限度的發(fā)揮框架的性能達(dá)到0.2Vo）總剪力的要求為宜。

2.3 確定合理剪力墻數(shù)量的原則

在已經(jīng)達(dá)到了規(guī)范規(guī)定的位移限值的基礎(chǔ)下，剪力墻數(shù)量必須要盡可能的減少，并可以最大限度的發(fā)揮框架承擔(dān)0.2Vo樓層總剪力的重要作用，如此一來結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)會降低；在將剪力墻的數(shù)量確定下來之后，還必須要對結(jié)構(gòu)的自振周期T進(jìn)行驗算，確保結(jié)構(gòu)的自振周期避開場地的卓越周期。

2.4 確定合理數(shù)量剪力墻的方法

目前已有多種方法，尤其是框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計程序。通常用框剪結(jié)構(gòu)剛度特征值入來確定合理的剪力墻數(shù)（1.15≤λ≥2.4）；以下為一般設(shè)計的參考值（見表1）。

表1 剪力墻剛度標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值

3 建筑框剪結(jié)構(gòu)布置設(shè)計優(yōu)化分析

3.1 平面布置

在對高層框剪結(jié)構(gòu)的進(jìn)行剪力墻布置的時候，建筑每一個結(jié)構(gòu)單元的平面形狀要盡量的保證簡單規(guī)則，而立面體型要防止過大的伸出或者是收進(jìn)、結(jié)構(gòu)布置要確保均勻?qū)ΨQ。在平面布置過程當(dāng)中，應(yīng)該盡可能的使得剛度中心和荷載合力中心重合或者是盡可能的靠近，從而防止產(chǎn)生明顯的扭轉(zhuǎn)；在剛度相同情況下需要盡量多布置一些墻片。本文作者結(jié)合自身近年來的實踐經(jīng)驗，指出應(yīng)該將單肢墻片的長度控制在6m范圍之內(nèi)，進(jìn)行連梁的連結(jié)，使得延性得以提升，在計算過程當(dāng)中其效果比較理想；另外一個問題是剪力墻的間距，在設(shè)計過程當(dāng)中要達(dá)到規(guī)范的要求，從而避免樓板在自身平面內(nèi)發(fā)生變形過大；為了可以進(jìn)一步的提高結(jié)構(gòu)單元抗扭轉(zhuǎn)的能力，剪力墻要盡可能靠周邊進(jìn)行設(shè)置。

3.2 豎向布置

高層結(jié)構(gòu)在豎向布置方面，順著高度結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度相對而言較為均勻，構(gòu)件截面由下至上慢慢減小，避免突變；規(guī)范當(dāng)中明確的指出：相鄰樓層剛度變化不能夠＞30%，連續(xù)3層剛度慢慢降低以后，要大于降低前剛度的50%。這些措施在框剪設(shè)計中必須要引起高度的重視?？蚣艚Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，框架與剪力墻共同作用，使得上部樓層的框架承受了附加的剪力。

3.3 填充墻布置

在進(jìn)行平面與豎向布置的時候，填充墻的剛度對于框剪結(jié)構(gòu)有著非常重大的影響。其布置也必須要本著均勻、對稱的原則來開展。

4 建筑框架剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析實例

4.1 工程概況

某大廈是一幢集辦公、住宅、商業(yè)為一體的多功能的框剪結(jié)構(gòu)高層建筑，總建筑面積近70000m2。地下3層（局部2層），深10.9m。裙房上3幢塔樓，1幢18層辦公樓，2幢24層住宅樓。本工程全部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?？拐鹆叶仍O(shè)防為Ⅶ度。

4.2 框剪結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

上部結(jié)構(gòu)由于高度和功能的不同而采用不同的結(jié)構(gòu)形式。裙房部分采用框架結(jié)構(gòu)；辦公樓部分采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，住宅部分采用剪力墻結(jié)構(gòu)。框架梁均采用寬扁梁，樓板均采用密肋板。各部分的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件見表2、表3。

表2 公寓樓主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸

表3 辦公樓及裙房主要結(jié)構(gòu)件尺寸

住宅樓轉(zhuǎn)換層設(shè)置在5～6層之間，上部住宅剪力墻布置相對而言比較均勻，整齊，這種情況可以采用梁式轉(zhuǎn)換層。然而由于住宅設(shè)備管線相對而言較多，大部分的管線要在該位置匯集，所以如果選擇使用箱型轉(zhuǎn)換層兼做設(shè)備層是非常合適的。轉(zhuǎn)換層主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件如表3。

辦公樓主入口大堂對空間的要求比較高，即將原8.4m的柱網(wǎng)改成16.8m，原5.4m的層高改成10.2m。在3～4層間采用雙向的兩棍析架作為托架支撐面增加柱子。建議采用200mm厚的混凝土墻來提高斜桿的穩(wěn)定性。為了保證平面的正常使用，要將圖中斜線部分開成門洞。整個工程根據(jù)Ⅶ度抗震設(shè)防，Ⅱ類場地土，因為塔樓和裙房連接成一個整體，因此整個建筑的抗震都必須要根據(jù)一級抗震進(jìn)行設(shè)計。采用中國建筑科學(xué)研究院PDPMCAD，SATWE進(jìn)行計算。主要數(shù)據(jù)的計算結(jié)果如表4、表5。

表4 底層柱軸壓比

表5 結(jié)構(gòu)周期、頂點位移

從表4、表5的計算結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，無論是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面還是剪力墻的布置都是趨于合理的。盡管辦公樓柱的截面相對而言比較小，配筋率偏低，但是可從構(gòu)造上采用箍筋加密或者是通過增加芯柱的方法對來實現(xiàn)其加強(qiáng)處理。

5 結(jié)語

綜上所述，框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項科學(xué)而系統(tǒng)的工程，主要包含造型設(shè)計、剪力墻數(shù)目確定以及結(jié)構(gòu)布置等重點環(huán)節(jié)?？蚣芗袅Y(jié)構(gòu)設(shè)計中就應(yīng)該盡可能采取概念清晰、便于操作、抗震性能強(qiáng)的剪力墻結(jié)構(gòu)，來提升建筑設(shè)計的合理性以及整體穩(wěn)定性，提高建筑使用效能，保證高層、超高層建筑使用過程中的安全。

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TU398+.2

A

1673-0038（2015）01-0009-02

2014-12-19

孫德才（1981-），男，工程師，本科，從事工作方向為建設(shè)設(shè)計。