浅析高层建筑框剪结构优化设计

朱方青

摘 要：近年来，随着城市建设进程的加快，高层建筑得以快速的发展起来。目前的高层建筑结构采用框剪结构的较多，该结构的应用，不仅使建筑的现面空间增大，而且对于抗侧力刚度的提升也具有极为重要的作用。文章对高层建筑框剪结构优化设计进行了具体的阐述，为高層建筑结构的设计提供了必要的参考。

关键词：高层建筑；框剪结构；优化设计

1 概述

随着经济建设的快速发展，城市人口不断增加，建筑用地资源非常紧张，在这种情况下，高层建筑以其大容积率得以在城市中快速发展起来。高层建筑垂直高度较大，而且结构较为复杂，这就需要选择适宜的结构形式，来确保高层建筑的稳定性。目前框剪结构不仅能够有效的确保使用空间的最大化，而且抗侧力刚度也较好，所以在当前高层建筑结构设计中得以广泛的应用。在进行框剪结构设计过程中，需要对其设计进一步优化，确保建筑结构能够更好的满足建设可靠性的要求。

2 框剪结构优化设计解析

2.1 传统的结构设计的必要性

在传统的结构设计过程中，其多数情况下是通过对以往工程设计的实践经验进行参考的基础上进行的，这样所提出的设计方案再对其进一步进行力学分析，从而在强度、刚度和稳定性方面得以进一步校核，从而得出结构模型，这组假定的计算模型如果不能满足要求，则需要对其进行必要的设计调整，然后得出一组截面，但最后得出的截面无法保证其是最好的，其与最初的假定误差存在着必然的联系，合理性有所欠缺。同时在传统结构设计时，由于有一定的时间限制，再加之结构计算较为复杂，这就导致后期的设计调整并不能多次的进行，无法保证所设计出来的结构产品在性能上能够保证处于最好的状态。

虽然结构优化设计与传统的结构设计在设计过程中基本相同，但通过结构优化设计，有效的确保了产品的性能、安全性和结济性。结构优化设计通过计算机来对设计方案做出正确的选择，确保了设计方案的最优化。在现代建筑领域中，框剪结构以其良好的受力性和适用性得以广泛的应用，而且通过对其合理造型及优化配置，有效的确保了建设成本的节约，特别是在当前高层建筑结构的布置还没有明确的规定出台前，为高层建筑框剪结构的优化设计提供了一个充足的理由，使其在高层建筑结构中得以更广泛的应用。

2.2 抗震性能结构设计

2.2.1 将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙。边框（明框和暗框）可阻止斜裂缝向相邻发展，还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性。边框应具有足够的斜截面受剪承载力，以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力。

2.2.2 控制每肢墙的高宽比。必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙，可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处，形成耗能机构，同时使原剪力墙一分为二，刚度降低，避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。

2.2.3 剪力墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为1左右。而试验表明：当连梁的跨高比为5时，延性和耗能很好，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在8以上，滞回曲线也相当饱满；当跨高比降至1时，延性系数则降至3左右，滞回曲线严重捏扰，耗能很小，最后弯剪破坏。因此，需要对它的组成和构造采取一定措施。措施之一是在1/2梁高的中性面上留一水平通缝，在缝的上、下两侧各埋置钢板，钢板上开有椭圆形螺栓孔，用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作，使连梁具有一定的“刚性”。在大震作用时，两钢板发生相对滑动，原来跨高比为1的刚性连梁将被分成两根跨高比为2的小梁协同工作，试验表明，这样可使延性系数由原来的3提高为10左右。

2.3 高层框剪结构设计技术

目前高层建筑结构设计中所采用的框剪结构，其实是框架结构和剪力墙结构的统称，框剪结构体系由这两部分组成，不仅为建筑提供了较大的平面使用空间，而且具有良好的抗侧力刚度，在目前不同使用功能的高层建筑中都得以广泛的应用。但在进行框剪结构设计时，需要对框剪结构的受力和变形特点进行充分的重视，以避免结构设计方案的不合理而导致不必要的成本浪费。框架结构是由梁柱线性杆件组成的一种结构，在侧向力作用下，框架的受力特点相当于竖向悬臂剪切梁，其变形呈剪切型变形故其水平力按照各框架的抗侧刚度D比例分配。剪力墙类似于一个竖向悬臂弯曲结构，其变形呈弯曲变形，在剪力墙结构中，所有抗侧力构件均有很大的抗弯曲刚度，其侧移变形都是类似的。且水平力按其等效刚度EI比例分配。

2.4 高层建筑框剪结构设计的优化

在框剪结构设计计算过程中，最为常出现的问题就是当结构出现不规则时的调整问题，只有设计人员多次对结构模型进行调整后才能确保结构达到规范要求的指标。但在调整时由于受制于建筑要求，往往无法对剪力墙结构布置进行大的调整，这就需要对连梁和局部墙厚进行微调，但这根本起不到有效的调整效果，往往导致调整后的不良效果产生。在这种情况下，就需要设计人员要有整体的观念，找出最大位移的节点后，再对整体结构的规则性做整体性的判断。在对结构调整时要注重对称性，通过对整体结构的受力情况进行充分协调，从而对墙肢应力分配不均的情况进行有效的改善，尽量减少扭转不规划性的情况发生，从而达到预期的调整效果。

由于当前高层建筑结构越来越复杂，而框剪结构充分的发挥了两种不同结构的优势，而且各结构的缺陷又得到有效的制约，所以在当前不同功能的高层建筑结构设计中都具有可行性。而且通过对建筑结构的整体布置进行优化后，也有效的确保了调整的效果，使调整更具规划性和完美性。

2.5 剪力墙布置应注意的问题

2.5.1 剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜分别联结在一起，应尽量拉通、对直，以具有较好的空间工作性能；抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式，宜使两个方向侧向刚度接近，两个方向的自振周期宜相近。剪力墙平面布置应尽可能做到规则，避免过大的扭转效应。

2.5.2 纵、横向剪力墙宜组成L形、T形和匚形等形式，以使纵墙（横墙）可以作为横墙（纵墙）的翼缘，从而提高其刚度、承载力和抗扭能力；楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置，以增强其空间刚度和整体性。

2.5.3 剪力墙的侧向刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增大结构的可利用空间，剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度；若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大，对结构受力不利。错洞剪力墙和叠合错洞墙都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布比较复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际应力，构造比较复杂，因此宜避免使用错洞墙和叠合错洞墙。

3 结束语

综上所述，高层建筑框剪结构设计对建筑的安全，城市土地面积的规划具有非常重要的意义，因此在今后的设计或者研究中，应该加强重视框剪结构设计，布置合理性及结构的优化。

参考文献

[1]李国刚.关于框剪结构混凝土施工难点解决方法和预控措施的探讨[J].黑龙江科技信息，2011（18）.

[2]张秀娟.框剪结构与外墙连接处渗漏防治措施[J].才智，2009（2）.

[3]慕欣.框-剪结构的弹塑性时程分析[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2009（4）.