影響高層框剪結構優化設計的主要控制因素研究

崔云靜

【摘 要】建筑結構設計中，對一些不允許出現裂縫或對裂縫寬度有嚴格限制的結構，要滿足這些要求就需要提高工程造價。因此，為了提升建筑的功能與價值，同時降低建造成本，有關于混凝土結構的優化設計理論的研究工作受到結構工程界的重視。

【關鍵詞】框剪結構；抗側剛度；優化設計；層間位移；建筑造型；空間剛度；結構延性

0 引言

目前，多高層框架剪力墻結構的優化設計理論的應用遠遠落后于理論研究。同時，現有的優化方法很多是以傳統的數學模型為優化模型，其描述能力和求解方法有相當的局限性，忽視了其廣泛應用性和應該容易被廣大工程人員掌握運用的目的。因此，這些都使現有的框架剪力墻結構優化理論和方法在實際應用中受到一定的限制。

1 體型（結構體系）

鑒于框剪力墻結構是現今常用的建筑結構形式，本部分內容主要論述該種體系的變形及受力特點。框架剪力墻體系，它兼有框架體系和剪力墻體系兩者的優點，其建筑平面布置靈活，也能滿足結構承載力和側向剛度上的要求，能發揮較大的經濟效益。為了增強房屋的抗扭能力，剪力墻宜布置在房屋各區段的兩端。在平面形狀或剛度有變化時，最好能設置剪力墻，以加強該薄弱環節。

在水平力作用下，剪力墻可看作為豎向懸臂彎曲構件進行內力分析，其變形曲線呈彎曲型，樓層越高水平位移增長的速度越快，而頂點水平位移值與高度是四次方關系：

均布荷載時：u=■

倒三角形荷載時：u=■

式中：H為建筑總高度；EI為彎曲剛度。

在一般的剪力墻結構中，樓層剪力在各道剪力墻之間是按其等效剛度EI叫的比例進行分配。框架在水平力作用下，其變形曲線為剪切型，樓層越高水平位移增長越大。在純框架結構中，各棍框架的變形曲線類似。所以，樓層剪力按框架柱的抗側剛度D值比例而進行分配。對于框架剪力墻建筑結構，框架與剪力墻之間通過平面內剛度無限大（假定）的樓板連接在一起。在水平力作用下，使框架與剪力墻的水平位移協調一致，不能各自自由變形，在不考慮扭轉影響的情況下，在同一樓層的水平位移將會相同。因此，框剪結構在水平力作用下的變形曲線應呈反S形的彎剪位移曲線。

2 基礎體系及地下室樓蓋結構造型

基礎工程約占工程總造價的20%-30%左右，因其位于地基下，施工復雜，難度大，所以基礎結構的優化設計尤其重要。同時，應該充分重視施工方案的可行性。建筑地下結構的優化設計，應包含基礎選型、地下室底板、外墻、頂板結構設計及防水、地下室樓蓋結構選型和上部主體結構嵌固部位構造設計等。其中基礎體系的選擇及地下室樓蓋結構選型是最為主要的。

2.1 帶地下室的建筑基礎體系

1）為保證建筑物不致發生過量沉降或傾斜，并能滿足正常使用要求，建筑基礎的選取應綜合考慮建筑所在場地的地質狀況、水位、其上部結構類型、使用功能、施工條件以及相鄰建筑的相互影響。

2）基礎體系應選用整體性能好，并能滿足地基承載力和建筑物容許變形的要求，同時能適應不均勻沉降，以達到其安全實用和經濟合理的目的。

3）對于多層建筑，當地基承載力較大，或采用復合地基時，可以優先采用獨立樁基基礎。

2.2 地下室樓蓋結構選型

多高層建筑中的地下室，一般都作為地下車庫，樓層層高一般為2.7m-3.3m，所以無梁樓蓋為常見的樓蓋形式。這種樓蓋，可最大限度地增加室內凈層高，增強了地下室的使用功能。樓蓋的配筋常用預應力鋼筋，作為上部主體結構的嵌固部位，保證樓蓋的安全適用性。

3 建筑平面造型

高層建筑的外形可以分為板式和塔式兩大類。板式建筑平面兩個方向的尺寸相差較大，分為長、短邊。為了增大一字形板式建筑短方向的抗側剛度，可以將板式建筑平面做成折線形或曲線形。塔式建筑平面兩個方向的尺寸接近或相差不大，其平面形狀有圓形、方形、長寬比小的矩形、Y形、井形、切角的三角形等，高層建筑常采用塔式的建筑平面形式。

建筑平面形狀是簡單規則的凸平面，如圓形、正多邊形、橢圓形等平面，可以減小風壓。有較多凹凸的復雜形狀平面，如V形、Y形、H形平面等，則對抗風不利。因此，對抗震有利的建筑平面形狀應該是簡單、規則、對稱、長寬比不大的平面。平面形狀不宜過于狹長，突出部分的長度不宜過大，不宜采用角部重疊或是細腰形的平面形式。平面過于狹長的建筑物，當在風荷載作用下時，有可能出現樓板彎曲。同時，當在地震作用下，有可能由于地震地面運動的相位差而使結構兩端的振動不一致，產生震害，還可能出現樓板平面內高振型，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，外伸段與主體結構之間會出現相對運動的振型。

4 建筑高度與豎向高寬比

①鋼筋混凝土高層建筑結構的最大適用高度和高寬比分為A級和B級。B級高度高層建筑結構的最大適用高度和高寬比較A級有所放寬，其結構抗震等級和有關的計算、構造措施應符合各規范相應條文的規定。

②A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度宜符合《高規》表4.2.2-1的規定，短肢剪力墻、筒體結構的最大適用高度應符合《高規》7.1.2條的規定。框架剪力墻、剪力墻和筒體結構高層建筑，其高度超過表4.2.2-1規定時為B級高度高層建筑。B級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度不宜大于《高規》表4.2.2-2的規定。

③對高層建筑的高寬比作出限制規定，目的在于對建筑結構剛度、整體穩定、承載能力和經濟合理性等各個關鍵性的方面進行造型控制。A級高度高層建筑的高寬比限值見《高規》表4.2.3-1，B級高度高層建筑的高寬比限值見《高規》表4.2.3-2。高層建筑的高寬比在滿足限值時，可不進行穩定驗算，超過限值時應進行穩定驗算。

5 結構平面布置

①建筑的結構應設計成雙向抗側力結構體系，主體結構構件之間不宜采用鉸接連接。當有抗震設計要求時，在兩個主軸方向均應布置剪力墻，增強抗扭及抗震承載變形能力。主體結構構件的中線宜互相重合，結構梁與結構柱中線之間的偏心距不宜大于柱寬的1/4。

②剪力墻的布置宜符合下列要求：剪力墻應均勻對稱地布置在建筑物的周邊附近、樓電梯間、恒載較大的部位。在伸縮縫、沉降縫、防震縫兩側不宜同時設置剪力墻。剪力墻的布置宜分布均勻，單片墻的剛度宜接近。剪力墻間距不宜過大，應滿足樓蓋平面剛度的需要，否則應考慮樓蓋平面變形的影響。

6 樓蓋結構體系

①在設計中，運用概念設計理論思想，應該同時綜合協調考慮水平分體系和豎向分體系的結構平面布置與類型，以達到理想的承載力、剛度和其他綜合效益的要求。

②樓蓋體系方案的選擇應考慮的因素包括：建筑空間功能要求、跨度、活荷載的大小、規劃設計或當地規文限定的結構層間容許高度等因素。對于高層建筑，工程造價及傾覆力矩、承載能力對高層建筑的建筑高度非常敏感。

③另外，在同樣的設計條件下，不同的樓蓋體系的結構自重也隨之會有所不同，各層的自重通過逐層疊加后，最終傳遞到基礎，從而直接影響基礎的造價。較重的樓蓋結構會要求較大截面尺寸的柱子和剪力墻設計，同時配筋也會增加。因此，增加了工程造價及施工工時。此外，較重的樓蓋結構會加大地震作用下的慣性力，從而加大抗側力構件的抗震補強要求。

7 結束語

總之，在當前結構優化程序開發相對滯后的情況下，開展對框架剪力墻結構整體優化設計理論的研究，形成一套優化設計理論體系，對于結構優化設計理論的不斷豐富和發展及其推廣，具有重大現實意義。

【參考文獻】

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[2]林德忠.框架：剪力墻結構的剛度優化方法[J].河北建筑工程學院學報，2000（9）.

[責任編輯：丁艷]