淺析高層建筑框剪結構優化設計

朱方青

摘 要：近年來，隨著城市建設進程的加快，高層建筑得以快速的發展起來。目前的高層建筑結構采用框剪結構的較多，該結構的應用，不僅使建筑的現面空間增大，而且對于抗側力剛度的提升也具有極為重要的作用。文章對高層建筑框剪結構優化設計進行了具體的闡述，為高層建筑結構的設計提供了必要的參考。

關鍵詞：高層建筑；框剪結構；優化設計

1 概述

隨著經濟建設的快速發展，城市人口不斷增加，建筑用地資源非常緊張，在這種情況下，高層建筑以其大容積率得以在城市中快速發展起來。高層建筑垂直高度較大，而且結構較為復雜，這就需要選擇適宜的結構形式，來確保高層建筑的穩定性。目前框剪結構不僅能夠有效的確保使用空間的最大化，而且抗側力剛度也較好，所以在當前高層建筑結構設計中得以廣泛的應用。在進行框剪結構設計過程中，需要對其設計進一步優化，確保建筑結構能夠更好的滿足建設可靠性的要求。

2 框剪結構優化設計解析

2.1 傳統的結構設計的必要性

在傳統的結構設計過程中，其多數情況下是通過對以往工程設計的實踐經驗進行參考的基礎上進行的，這樣所提出的設計方案再對其進一步進行力學分析，從而在強度、剛度和穩定性方面得以進一步校核，從而得出結構模型，這組假定的計算模型如果不能滿足要求，則需要對其進行必要的設計調整，然后得出一組截面，但最后得出的截面無法保證其是最好的，其與最初的假定誤差存在著必然的聯系，合理性有所欠缺。同時在傳統結構設計時，由于有一定的時間限制，再加之結構計算較為復雜，這就導致后期的設計調整并不能多次的進行，無法保證所設計出來的結構產品在性能上能夠保證處于最好的狀態。

雖然結構優化設計與傳統的結構設計在設計過程中基本相同，但通過結構優化設計，有效的確保了產品的性能、安全性和結濟性。結構優化設計通過計算機來對設計方案做出正確的選擇，確保了設計方案的最優化。在現代建筑領域中，框剪結構以其良好的受力性和適用性得以廣泛的應用，而且通過對其合理造型及優化配置，有效的確保了建設成本的節約，特別是在當前高層建筑結構的布置還沒有明確的規定出臺前，為高層建筑框剪結構的優化設計提供了一個充足的理由，使其在高層建筑結構中得以更廣泛的應用。

2.2 抗震性能結構設計

2.2.1 將剪力墻做成四周有梁柱的帶邊框墻。邊框（明框和暗框）可阻止斜裂縫向相鄰發展，還可在墻板破壞后作承重構件代替墻板承重且有一定延性。邊框應具有足夠的斜截面受剪承載力，以承擔因墻身通裂對邊框梁柱引起的附加剪力。

2.2.2 控制每肢墻的高寬比。必要時可設結構洞口或結構豎縫使變成雙肢墻或多肢墻，可控制裂縫和屈服部位出現在結構豎縫和洞口連梁處，形成耗能機構，同時使原剪力墻一分為二，剛度降低，避免發生剪切破壞和底部墻體過早屈服。

2.2.3 剪力墻的剛性連梁，其跨高比往往僅為1左右。而試驗表明：當連梁的跨高比為5時，延性和耗能很好，連梁兩端相對豎向位移的延性系數都在8以上，滯回曲線也相當飽滿；當跨高比降至1時，延性系數則降至3左右，滯回曲線嚴重捏擾，耗能很小，最后彎剪破壞。因此，需要對它的組成和構造采取一定措施。措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通縫，在縫的上、下兩側各埋置鋼板，鋼板上開有橢圓形螺栓孔，用高強螺栓把兩鋼板連結。在豎載、風載和小震下，高強螺栓把水平通縫分開的兩部分連梁連結成整體工作，使連梁具有一定的“剛性”。在大震作用時，兩鋼板發生相對滑動，原來跨高比為1的剛性連梁將被分成兩根跨高比為2的小梁協同工作，試驗表明，這樣可使延性系數由原來的3提高為10左右。

2.3 高層框剪結構設計技術

目前高層建筑結構設計中所采用的框剪結構，其實是框架結構和剪力墻結構的統稱，框剪結構體系由這兩部分組成，不僅為建筑提供了較大的平面使用空間，而且具有良好的抗側力剛度，在目前不同使用功能的高層建筑中都得以廣泛的應用。但在進行框剪結構設計時，需要對框剪結構的受力和變形特點進行充分的重視，以避免結構設計方案的不合理而導致不必要的成本浪費。框架結構是由梁柱線性桿件組成的一種結構，在側向力作用下，框架的受力特點相當于豎向懸臂剪切梁，其變形呈剪切型變形故其水平力按照各框架的抗側剛度D比例分配。剪力墻類似于一個豎向懸臂彎曲結構，其變形呈彎曲變形，在剪力墻結構中，所有抗側力構件均有很大的抗彎曲剛度，其側移變形都是類似的。且水平力按其等效剛度EI比例分配。

2.4 高層建筑框剪結構設計的優化

在框剪結構設計計算過程中，最為常出現的問題就是當結構出現不規則時的調整問題，只有設計人員多次對結構模型進行調整后才能確保結構達到規范要求的指標。但在調整時由于受制于建筑要求，往往無法對剪力墻結構布置進行大的調整，這就需要對連梁和局部墻厚進行微調，但這根本起不到有效的調整效果，往往導致調整后的不良效果產生。在這種情況下，就需要設計人員要有整體的觀念，找出最大位移的節點后，再對整體結構的規則性做整體性的判斷。在對結構調整時要注重對稱性，通過對整體結構的受力情況進行充分協調，從而對墻肢應力分配不均的情況進行有效的改善，盡量減少扭轉不規劃性的情況發生，從而達到預期的調整效果。

由于當前高層建筑結構越來越復雜，而框剪結構充分的發揮了兩種不同結構的優勢，而且各結構的缺陷又得到有效的制約，所以在當前不同功能的高層建筑結構設計中都具有可行性。而且通過對建筑結構的整體布置進行優化后，也有效的確保了調整的效果，使調整更具規劃性和完美性。

2.5 剪力墻布置應注意的問題

2.5.1 剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向或多向布置，不同方向的剪力墻宜分別聯結在一起，應盡量拉通、對直，以具有較好的空間工作性能；抗震設計時，應避免僅單向有墻的結構布置形式，宜使兩個方向側向剛度接近，兩個方向的自振周期宜相近。剪力墻平面布置應盡可能做到規則，避免過大的扭轉效應。

2.5.2 縱、橫向剪力墻宜組成L形、T形和匚形等形式，以使縱墻（橫墻）可以作為橫墻（縱墻）的翼緣，從而提高其剛度、承載力和抗扭能力；樓、電梯間等豎井宜盡量與靠近的抗側力結構結合布置，以增強其空間剛度和整體性。

2.5.3 剪力墻的側向剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結構自重，增大結構的可利用空間，剪力墻不宜布置得太密，使結構具有適宜的側向剛度；若側向剛度過大，不僅加大自重，還會使地震力增大，對結構受力不利。錯洞剪力墻和疊合錯洞墻都是不規則開洞的剪力墻，其應力分布比較復雜，容易造成剪力墻的薄弱部位，常規計算無法獲得其實際應力，構造比較復雜，因此宜避免使用錯洞墻和疊合錯洞墻。

3 結束語

綜上所述，高層建筑框剪結構設計對建筑的安全，城市土地面積的規劃具有非常重要的意義，因此在今后的設計或者研究中，應該加強重視框剪結構設計，布置合理性及結構的優化。

參考文獻

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