建筑框剪结构优化设计分析

2015-12-29孙德才

建材与装饰 2015年1期

关键词：剪力剪力墙抗震

孙德才

（重庆都兴建筑设计有限公司重庆渝北 401120）

建筑框剪结构优化设计分析

孙德才

（重庆都兴建筑设计有限公司重庆渝北 401120）

随着科学技术水平的不断提升，我国各行各业进入了新的发展阶段，建筑工程设计行业更是呈现出了新的特点。框架剪力墙结构是当前城市建筑的重要形式，因其稳定性高、抗震性能好以及节省钢筋混凝土的使用等特点获得了广泛的使用。本文以建筑框剪结构优化设计为中心展开讨论，从建筑造型、剪力墙数目和结构布置三个角度分析了建筑框剪结构整体优化设计，并通过建筑设计实例进行了论述，具有一定借鉴价值。

建筑；框架剪力墙；设计；优化

引言

随着我国城市化进程的不断推进，为了提升城市土地利用效率，大量的高层、超高层建筑开工建设，极大的促进了建筑工程建设行业的发展。框架剪力墙结构是当前高层建筑的基础构成形式，同时也是建筑结构设计行业关注研究的重点。可见研究分析框剪结构设计的基本影响要素，通过合理的协调解决剪力墙数量与位置能够有效的提升建筑整体质量。本文正是基于以上考虑探讨了框架剪力墙结构的基本优化要点，通过实例进行了分析，旨在为同行提供一定参考。

1 建筑框剪结构造型优化设计分析

1.1 建筑整体造型

在普通的剪力墙结构当中，楼层剪力在每一道剪力墙之间是根据其等效刚度EIeq的比例来分配的。框架在水平力的作用下，其变形曲线为剪切型，楼层如果越高则水平位移的增长就越大。对框架剪力墙的建筑结构，框架与剪力墙之间从平面内刚度无限大（假定）的楼板进行连接。在水平力的作用下，使得框架和剪力墙的水平位移保持一致，不可以各自自由变形，在没有考虑扭转因素的情况下，相同楼层的水平位移也是相同的。所以，框剪结构在水平力的作用下变形曲线应该是呈现反S形的弯剪位移曲线。图1是框架剪力墙结构受力特征。

图1 框架剪力墙结构受力特点

1.2 建筑平面造型

对抗震有利的建筑平面形状应该是简单、规则、对称、长宽比不大的平面。平面形状不可以太狭长，突出部分的长度也不可以过大，不可以采用角部重叠或是细腰形的平面形式。另外，在地震的作用下，将会因为地震地面运动的相位差而使得结构两端的振动不一致，出现震害，还会导致楼板平面出现内高振型，这种变形在一般计算方法中无法计算。建筑平面有比较长的外伸（例如L形、H形、Y形等）时，外伸段与主体结构之间会出现相对运动的振型。

2 建筑框剪结构剪力墙数量优化设计分析

2.1 剪力墙合理数量的下限

《高规》5.1.3条当中明确的规定：在框架剪力墙结构当中，当剪力墙部分的地震倾覆力矩不大于50%结构总倾覆力矩的情况下，对于其框架部分一定要根据纯框架抗震等级来采用。这表示剪力墙数量最少应该达到＞50%总地震弯矩的需求，另外一个要求是功能方面的要求，也就是对于变形限值的要求，剪力墙的数量至少要确保达到侧向力下的水平位移限值的要求。

2.2 剪力墙合理数量的上限

相关规范规定在框剪结构里面每一层框架所承受的总剪力最少是1.5Vmaxf或者是0.2Vo两者中小值（Vmaxf为每一层框架部分所可以承担总剪力的最大值）。规范的规定是非常合理的，这样可以方便框架发挥其抗侧力的性能。所以剪力墙数目的最大值应该是以可以最大限度的发挥框架的性能达到0.2Vo）总剪力的要求为宜。

2.3 确定合理剪力墙数量的原则

在已经达到了规范规定的位移限值的基础下，剪力墙数量必须要尽可能的减少，并可以最大限度的发挥框架承担0.2Vo楼层总剪力的重要作用，如此一来结构的地震反应会降低；在将剪力墙的数量确定下来之后，还必须要对结构的自振周期T进行验算，确保结构的自振周期避开场地的卓越周期。

2.4 确定合理数量剪力墙的方法

目前已有多种方法，尤其是框剪结构优化设计程序。通常用框剪结构刚度特征值入来确定合理的剪力墙数（1.15≤λ≥2.4）；以下为一般设计的参考值（见表1）。

表1 剪力墙刚度标准数值

3 建筑框剪结构布置设计优化分析

3.1 平面布置

在对高层框剪结构的进行剪力墙布置的时候，建筑每一个结构单元的平面形状要尽量的保证简单规则，而立面体型要防止过大的伸出或者是收进、结构布置要确保均匀对称。在平面布置过程当中，应该尽可能的使得刚度中心和荷载合力中心重合或者是尽可能的靠近，从而防止产生明显的扭转；在刚度相同情况下需要尽量多布置一些墙片。本文作者结合自身近年来的实践经验，指出应该将单肢墙片的长度控制在6m范围之内，进行连梁的连结，使得延性得以提升，在计算过程当中其效果比较理想；另外一个问题是剪力墙的间距，在设计过程当中要达到规范的要求，从而避免楼板在自身平面内发生变形过大；为了可以进一步的提高结构单元抗扭转的能力，剪力墙要尽可能靠周边进行设置。

3.2 竖向布置

高层结构在竖向布置方面，顺着高度结构侧向刚度相对而言较为均匀，构件截面由下至上慢慢减小，避免突变；规范当中明确的指出：相邻楼层刚度变化不能够＞30%，连续3层刚度慢慢降低以后，要大于降低前刚度的50%。这些措施在框剪设计中必须要引起高度的重视。框剪结构当中，框架与剪力墙共同作用，使得上部楼层的框架承受了附加的剪力。

3.3 填充墙布置

在进行平面与竖向布置的时候，填充墙的刚度对于框剪结构有着非常重大的影响。其布置也必须要本着均匀、对称的原则来开展。

4 建筑框架剪力墙结构优化设计分析实例

4.1 工程概况

某大厦是一幢集办公、住宅、商业为一体的多功能的框剪结构高层建筑，总建筑面积近70000m2。地下3层（局部2层），深10.9m。裙房上3幢塔楼，1幢18层办公楼，2幢24层住宅楼。本工程全部采用现浇钢筋混凝土结构。抗震烈度设防为Ⅶ度。

4.2 框剪结构设计与优化

上部结构由于高度和功能的不同而采用不同的结构形式。裙房部分采用框架结构；办公楼部分采用框架-剪力墙结构，住宅部分采用剪力墙结构。框架梁均采用宽扁梁，楼板均采用密肋板。各部分的主要结构构件见表2、表3。

表2 公寓楼主要结构构件尺寸

表3 办公楼及裙房主要结构件尺寸

住宅楼转换层设置在5～6层之间，上部住宅剪力墙布置相对而言比较均匀，整齐，这种情况可以采用梁式转换层。然而由于住宅设备管线相对而言较多，大部分的管线要在该位置汇集，所以如果选择使用箱型转换层兼做设备层是非常合适的。转换层主要结构构件如表3。

办公楼主入口大堂对空间的要求比较高，即将原8.4m的柱网改成16.8m，原5.4m的层高改成10.2m。在3～4层间采用双向的两棍析架作为托架支撑面增加柱子。建议采用200mm厚的混凝土墙来提高斜杆的稳定性。为了保证平面的正常使用，要将图中斜线部分开成门洞。整个工程根据Ⅶ度抗震设防，Ⅱ类场地土，因为塔楼和裙房连接成一个整体，因此整个建筑的抗震都必须要根据一级抗震进行设计。采用中国建筑科学研究院PDPMCAD，SATWE进行计算。主要数据的计算结果如表4、表5。