多层异形柱住宅结构优化设计与实例分析

胡杰云 裴丽敏 杨 予

(1.浙江理工大学建工学院土木系，浙江杭州 310018; 2.杭萧钢构股份有限公司，浙江杭州 310003)

异形柱结构方案在协调多层住宅建筑外观设计和内部空间利用上具有一定优势，得到了广泛的应用。因布置方案选择上具有多样性，其优化设计理论得到了越来越多的关注。例如:文献［1］对异形柱结构在地震作用下的性能进行了分析，阐述了优化措施和节点构造措施;文献［2］～［4］则从竖向构件的平面布置的研究中得出结构的优化方案，不足之处是忽略了梁板柱之间的相互影响，而仅仅考虑了竖向构件的布置;文献［5］中建立了以抗侧移刚度为目标函数，基于连续函数的数学模型。但实际应用中，因受到规范、建筑设计及模数的限制，结构构件尺寸和侧向刚度并不能连续变化，解析方法得出的最优解往往难以直接采用。根据上述研究现状，下面要探讨的是一种在工程中具有实用性和可操作性的异形柱结构优化设计方法。

1 优化设计方法

异形柱住宅结构优化设计方法由如下几个步骤构成:1)设定优化目标。建筑或结构功能要求在某些位置采用异形柱或剪力墙，但剪力墙过多易导致总造价上升，异形柱过多则易导致抗震能力下降，一般需在保证安全性的要求下兼顾经济性，可通过多方案综合性能对比评判来解决多目标的协调问题。2)选择典型结构方案。通过分析工程概况，在满足建筑功能要求条件下，依照经验选择几种可行的异形柱结构布置结构方案，及相应水平构件布置方案。3)结构分析。利用结构分析设计软件(如PKPM等)对各方案进行分析计算，得到相关结果，并整理为图表形式，以便为后续比较分析提供数据支持。4)整体抗震性能比较。通过对各个结构方案的结构自振周期、结构最大位移、位移角、最大楼层剪力的比较，综合比较评判各结构方案的整体抗震性能，同时还须注意使各项指标满足规范要求，否则应相应修改方案。5)构件受力性能比较。构件受力性能的分析主要着眼于构件的延性，对各结构方案中的柱、墙、梁三种主要受力构件进行轴压比、剪压比、剪跨比等规范要求的典型指标进行比较分析。6)经济性能分析。主体结构的经济性主要体现在单位体积含钢量和混凝土用量这两项指标，根据这两项指标还可以进一步得出结构方案的总材料造价，为评判相对较优的结构方案提供便利。7)综合比较评判得出结论。综合上述分析结果进行比较和评判，得到符合优化目标的较优结构方案。

在完成整体结构方案的优化后，还可多次重复上述步骤进行细部结构的优化设计和选择。

2 优化设计实例

作为实例，利用上述方法对某7层现浇钢筋混凝土框架结构进行优化设计。该建筑总面积3 850.98 m2，屋面板顶面标高19.6 m，采用轻质填充墙和隔墙，工程所在地抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.10g，地震分组第一组，场地类别Ⅱ类。

2.1 设定优化目标

在满足建筑功能要求和相关规范的条件下，综合考虑评判结构整体抗震性能、构件延性和经济性，最终获得相对较优的方案。

2.2 选择典型结构方案

根据建筑方案外观和内部空间隔断的要求，选择五个典型结构布置方案作为对比，如图1所示，具体说明如下:

方案1为矩形柱框架结构，该形式具有传力明确，施工方便等优势，柱网布置尺寸也很简单规律。方案2为异形柱框架结构，异形柱中的较长肢布置在Y(沿1轴)方向，考虑到异形柱性能特点，在一些受力复杂区域布置了矩形柱。

方案3，4，5均为异形柱框剪结构，但细节设计上有所不同。方案3在建筑外墙以及转角凸出部分，多布置剪力墙。墙体较长墙肢多布置在Y方向。方案4在多处建筑转角处、梁跨度较大处布置了断肢剪力墙，墙体的较长墙肢多布置在Y轴方向。但在楼梯间则布置了一道沿X(沿A轴)方向较长的剪力墙，以提高X方向刚度。方案5改善了方案2中一些受力复杂的建筑转角外凸处的异形柱为剪力墙，且简化了梁的布置(板做相应调整)。

2.3 结构分析

由于涉及框架和剪力墙结构的分析计算，为保证对比的一致性，诸方案均采用PKPM多层及高层建筑结构分析系列软件中的SATWE模块进行分析计算。

2.4 整体抗震性能比较

自振周期是衡量地震作用，结构体系刚度以及抗力大小的一个指标，取前3阶振型进行比较，各方案计算结果见表1。

从表1可见，方案1～方案4结构刚度依次递增，方案5为在方案2的基础上加强了结构较薄弱处。比较可见框剪结构方案的刚度明显高于框架结构，而方案3的X与Y方向的自振周期非常接近，二者的平动系数清晰明确，说明其结构平面内质心与刚心重合较好，有利于抗震。这与异形柱框—剪结构方案中，刚度较大的长墙集中对称布置在结构两端和中间，且两个方向的剪力墙布置较均匀有关。

图2和图3给出了各方案随着楼房高度的增加，水平荷载下结构的侧向变形。

图1 五个典型结构布置方案

由图2，图3可见，五种方案中3，4，5结构方案位移明显要小，并且层间位移上下均匀连续，没有明显的薄弱层;方案2结构位移小于方案1，且位移角与方案3接近;方案1位移曲线呈剪切型，曲线底部发生突变，楼层薄弱部位明显，抗震不利;方案2最大的问题是X，Y方向上的刚度差异较大，使得X，Y方向上的层间位移差异也很大。综合起来方案3，4，5的抗震性能较好。

2.5 构件受力性能比较

考虑到实用性，从延性角度来分析墙、柱、梁三种构件的受力状况较合适。对于柱、墙考虑轴压比、剪重比与剪跨比等指标的对比;对于梁，由于构件延性基本由构造控制，仅进行其剪压比指标的对比。限于篇幅，此处仅列出部分具有代表性梁的对比结果，见表2。

从表2可见，框架—剪力墙的剪压比较大，这是由于这几根梁在方案中都有一端或两端与剪力墙相连，承受更大的剪力的缘故。比较1，2两方案的梁剪压比，方案3的剪压比较大，这是该形式梁的跨高比较大的缘故。方案3，4的剪跨比都较大，其中方案3即矩形柱框架剪力墙方案的剪压比最大。由上述比较结果可得:方案5＞方案2＞方案1＞方案4＞方案3。

表1 结构自振周期

图2 最大楼层位移曲线比较图

图3 最大层间位移角曲线比较图

表2 梁剪压比

2.6 经济性分析

按市场调查，可在同等条件下估算各结构方案楼板、梁、柱、剪力墙所需总材料费及单位面积材料费，列于表3中。

表3 材料费统计表 万元

2.7 综合评判

通过抗震性能和造价指标的综合评判，可以确定方案5为最优方案，理由是:

1)方案5可通过墙面装饰如抹灰厚度等工程方式调整差距，建筑整体上较美观;2)其柱网布置跨度较大，可简化梁的布置，传力更简洁合理，在抗震性能方面有更好的表现;3)内力分析结果表明整体抗震性能良好，构件延性优于其他方案;4)经济性上，异形柱框架结构方案的造价仅高于方案1矩形柱方案，性价比最高。

3 结语

该优化设计方法的优点是可操作性好，还可采用先整体方案后细部结构的方法，进行多层次优化。由实例分析可知，该方法采用量化分析手段显然比单纯依靠经验和感觉更为可靠准确，影响因素的考虑更充分。不足之处是要求设计人员具有一定的设计经验能布置出与建筑方案协调的较优结构方案，且计算工作量偏大。今后可以考虑利用数据库的方式批量生成多个可能结构方案的相关参数，并导入结构分析软件中进行计算，最后按该方法的原理编制相关程序自动生成性能图表曲线来简化分析比较过程。

［1］ 杨纪红.有抗震要求的多层住宅异形柱框架结构设计及优化措施分析探讨［J］.中外建筑，2010(4)：122-123.

［2］ 刘礼联.小高层住宅短肢剪力墙结构设计优化措施分析探讨［J］.中外建筑，2010(5)：165-167.

［3］ 贾 园，朱杰江.某小高层住宅楼的结构优化设计［J］.工业建筑，2006(S1)：328-330.

［4］ 何 玲，杨正海，潘 文.异形柱结构对平面布置的要求［J］.建筑结构，2007，37(7)：11-13.

［5］ 秦 力，宋玉普，张秀文.中高层异形柱框—剪结构的剪力墙抗侧刚度优化［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36(8)：1103-1106.