淺談高層建筑框剪結構設計

張俊清

(大連理工大學土木設計研究院 116023)

淺談高層建筑框剪結構設計

張俊清

(大連理工大學土木設計研究院 116023)

隨著城市土地面積的大規模的開發，高層建筑受企業追捧。本文主要分析高層建筑的設計、經濟性等方面對高層建筑框剪結構設計影響，望提供一定的借鑒意義。

高層建筑 框剪 結構

一、前言

如今高層建筑已經成為城市建筑的重點，近年來高層建筑框剪結構的出現引起了社會各界的廣發關注，有關于高層建筑框剪結構設計的合理性，還需進一步探討，進一步進行建筑結構優化。

二、框剪結構優化設計解析

1.傳統的結構設計的必要性

傳統的結構設計方法一個很大的局限在于所按照要求得到的截面并非是最佳截面，而且建設完成后的工程結構存在一些缺點，例如質量大、造價高等，這與其設計過程密不可分。一般而言，傳統的結構設計遵循以下程序：參照——估計——分析——驗算——調整。也就是所使用的設計方案是在已有工程設計實踐經驗的基礎之上提出來的，之后，在從強度、剛度以及穩定性等多個方面采用力學分析的方式對其進行安全校核，如果驗算結構不滿足要求就要進行設計調整。然而該驗算時所假定的計算模型難以保證合理，最后得到一組截面，在很大程度上取決于最初假定的誤差程度，再者，設計時迫于時間及結構計算的復雜性往往決定了調整的次數是有限的，因而設計出的最終產品難以保證是最優的。而結構的優化設計雖然與傳統的結構設計有一樣的設計過程，但產品的良好性能、產品所具備的的高安全性以及高經濟性是其設計的主要目的。并且產品的高經濟性與高安全性是從結構的體積最小、質量最輕以及產品造價最低等三個方面進行衡量的。而且，結構優化設計的一個最大特點是對設計中出現的一系列問題按照數學規劃的方式對其解決，然后再利用計算機，對眾多方案進行比較，并從中選出最優的設計方案，這是傳統設計過程所不能比擬的。框架一剪力墻結構以其良好的受力性和適用性在現代高層建筑領域中應用非常廣泛。現階段，隨著建筑行業的快速發展，高層建筑物的數量只增不減，面對這種情況，框架—剪力墻結構的合理選擇以及優化對降低造價、提高建筑質量有著重要的指導意義。然而目前在《高層建筑混凝土結構設計規程》中，對高層建筑的結構選型、合理布置等的相關規定尚未完善，存在一些不足，這就為高層框架結構的優化設計提供了充足的設計理由。

2. 抗震性能的結構設計

首先，為了有效提高高層建筑的抗震性能，可以將剪力墻設計成四周有梁柱的并且帶有邊框的墻。主要是因為，邊框墻可以使斜裂縫向相鄰墻面擴展的現象得以避免，而且當墻板遭到破壞后，還看將其作為承重構件，起到承重的作用。除此之外，設計的邊框還能夠對因墻身通裂對邊框梁柱而產生的附加剪力起到承載的作用。

其次，對每肢墻的高寬比進行合理的控制。雙肢墻或多肢墻的設計,可以使出現在結構豎縫和洞口連梁處的裂縫和屈服部位得到有效的控制，同時還能夠降低其剛度，從而避免剪切破壞或者是底部墻體過早屈服現象的發生。

最后，剪力墻的剛性連梁，其跨高比一般為1。當連梁的跨高比為5時，具有較好的延性和耗能，并且連梁兩端相對豎向位移的延性系數都高于8，滯回曲線的飽滿度也比較高；當跨高比降至 1時，延性系數則也會隨之降低，達到 3，并且滯回曲線遠遠偏離飽滿度，最終導致彎剪遭到破壞。因此，需要對其組成和構造進行相應的改進。即在梁高的一半位置處留一水平通縫，并在縫的上、下兩側各埋置一個開有橢圓形螺栓的鋼板，最后用高強螺栓將兩個鋼板連結在一起，從而使連梁具有一定的“剛性”功能。如果在大震的作用下,導致兩鋼板有相對滑動現象的發生，此時就會使剛性橋梁工作時跨高比由1變為2，并且延性系數提高了3倍多。

3. 高層框剪結構設計技術

在現階段的高層建筑中，其結構設計大多采用高層框剪結構。該結構主要是由兩部分組成，框架結構以及剪力墻結構。高層框剪結構在高層建筑結構中得到了廣泛應用，主要是因為該種結構不僅具有較強的抗側力剛度，還能為建筑的使用提供一個更大的平面空間。但是在對該結構進行設計的過程中出現的一些問題會導致結構方案存在缺陷,致使浪費現象嚴重。因此，在設計中應該對框剪結構的受力和變形特點引起高度的重視。高層框架結構主要是由梁柱線性桿件組成的。剪力墻和豎向懸臂彎曲結構相似,并且呈彎曲變形。在剪力墻結構中,所有抗側力構件具有的抗彎曲剛度較大,并且側移變形相同，其中水平力按其等效剛度EI比例進行分配。

4. 高層建筑框剪結構的設計優化

框剪結構在設計中，經常會出現結構不規則的情況此時相關設計人員需要對結構模型進行調整直至符合要求。在調整過程中，首先對剪力墻結構的布置進行調整。但是由于調整的方式與建筑要求不相符，而取消該種調整方式。在這種情況下，設計人員將對剪力墻結構布置的調整轉變為對連梁和局部墻厚的微調。由此可見，頭痛醫頭、腳痛醫腳的方法對解決整體模型的計算調整工作并未達到令人滿意的效果。以該工程為例，只對某一部分連梁的進行放大，這樣只是使整個結構的應力分配和傳遞以及結構的規則性得到了改變，但是極易造成第一調整后不良結果的產生。因此，在對高層建筑框剪結構的設計優化中必須有一個整體的概念。即首先要找出最大位移出現的節點，在該節點附近對整個結構的規則性做整體性的判斷。然而第二次調整的失敗讓我們意識到對薄弱節點的局部進行調整，只不過是重復第一次調整的錯誤。為了達到更好的效果，應該對其整體進行考慮，從墻肢厚度到連梁剛度以對稱性的方式地對其結構進行調整和改進，同時對連梁和與墻連接的框架梁對整體結構的受力協調作用引起高度的關注。這樣才能夠使墻肢應力分配的不均勻性得到改善，達到良好的調整效果。總之，框剪結構在結合兩種不同結構優勢的基礎上，有效避免了各自的缺陷，為復雜系數越來越高的商業高層建筑提供了結構設計上的可行性，從而在工程上得到了廣泛的應用。綜上所述，結構設計應該從整體方面對結構布置進行調整，從而更好的完成該類結構設計的相關計算工作。只有在建筑要求極為嚴苛，并且是不得已而進行的情況下，才可對工程設計進行局部微調。在建筑條件允許的情況下，可以對結構的整體布置不斷進行優化，使其達到更完美、更規則的調整效果。

5.剪力墻布置的注意事項

一方面，剪力墻最好是沿主軸方向或其他方向雙向進行布置，處于不同方向的剪力墻應分別相互連接，同時為了保證剪力墻具有良好的空間工作性能，在連接時應應盡量拉通、對直；在進行抗震設計的過程中，為了使其具有更強的抗震性能，應保證兩個方向側向剛度以及自振周期各自相相近。剪力墻平面布置應盡可能做到規則，避免過大的扭轉效應。

一方面，縱、橫向剪力墻最好按照L形、T形和匚形等組成形式進行組合，從而使縱墻作為橫墻的一個翼緣，以達到提高剛度、承載力以及抗扭能力等方面的目的。

另一方面，剪力墻具有較大的側向剛度及承載力，為了能夠使剪力墻的能力得到充分利用，并且具有適宜的側向剛度，剪力墻布置不宜過密，應盡量減輕結構自重，并且增大結構的可利用空間；若側向剛度過大，不僅會增加自身的重量，還會減弱抗震能力。

此外，錯洞剪力墻和疊合錯洞墻都是屬于不規則開洞的剪力墻，不僅有著較為復雜的應力分布和構造，而且在常規計算中無法準確獲取其實際應力。因此，宜避免使用錯洞墻和疊合錯洞墻

三、結束語

綜上所述，高層建筑框剪結構設計的對建筑的安全，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。

TU7

B

1007-6344（2015）02-0156-01