房屋框架核心简结构的设计技术要点研讨

叶锦周

摘 要：房屋框架核心筒结构的设计，结构总重量的控制是设计的重点，适时需要以此作为设计目标，借助有限元分析软件，对框架核心筒结构进行抗震优化。文章选取某高层框架核心筒结构作为案例，在明确结构抗震优化目标和计算参数的基础上，深入研讨优化设计的技术要点，其他工程结构设计，可籍此作为参考。

关键词：房屋；框架；核心筒；结构设计

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）21-0016-02

1 工程案例

某高层房屋框架核心筒结构工程，拟抗震烈度8 °，层数24，高度91.5 m，包括底部3层和21层标准层，单位层高分别为5.5 m和3.6 m。由于案例工程处于场地属III类，最大的地震影响系数为0.24，设计工程师设定楼面梁体高度的最大值为0.8 m，并在原有边梁和连梁两边宽度值的基础上，各自加宽至1 m。以上设计思路所形成的结构截面尺寸明细，见表1。

考虑到案例项目位处高烈度区，不受到结构迎风和风压的影响，在设计时需要将地震作用视为主要影响因素，将抗震优化作为结构设计的重点。

在结构优化之前，案例项目框架核心筒结构的各指标为

柱轴压比，优化前值0.5，规范限值0.75；

墙轴压比，优化前值0.26，规范限值0.5；

位移比，优化前值1.11，规范限值1.2；

梁剪压比，优化前值0.18，规范限值0.2；

周期比，优化前值0.75，规范限值0.9；

位移角，优化前值1/1137，规范限值1/800；

剪重比，优化前值6.45%，规范限值4.8%；

总重量，优化前值376 825 kN。

从以上结构优化前的各项指标中，不难看出案例项目结构的位移角不大，而剪重比偏小，侧面显示结构的刚度偏大，尚存一定的优化空间。

2 案例项目框架核心筒结构设计要点

为保证案例房屋项目框架核心筒结构的设计优化成效，在设计之前，需在设计方案当中，明确结构优化的目标，进而提出具有针对性的设计要点。

2.1 优化目标

为解决结构刚度偏大的问题，要将结构总重量作为优化的目标，适时要综合考虑结构吸收地震能量的大小，以及基础造价的承受范围。

2.1.1 约束条件

其中控制构件指标有柱轴压比、墙轴压比、

2.1.2 减压比

控制整体指标有结构位移比、结构周期比、结构位移角。2.1.3 变量设置

结构的平面布置要呈对称状，而本项目的框架筒结构竖向构件连续，具备竖向传力与扭转控制的优势，在设置变量时，在不违背各层截面高度协调统一的情况下，分析框架核心筒主梁X向和Y向的功能变化，进而协调截面宽度和剪力墙厚度。

值得一提的是，固定模数变化，直接关系优化变量，设计时均以离散标量为主，梁和剪力墙的模数变化均为50 mm，而框架柱的模数变化为100 mm。至于框架梁和连梁变量的取值范围确定，高度取值范围为700～900 mm，宽度取值范围为200 mm～

300 mm。

综合以上的优化目标，借助Hyperstudy软件，进行时间的仿真分析，研讨成本是否节省，通盘各项指标的优化结构，最终作为设计要点遴选的唯一依据。

2.2 设计优化

围绕以上的设计优化目标，具体设计要点如下。

2.2.1 结构总重量

根据结构总重量的曲线状，结构总重量和迭代步关系，如图1所示。

上图显示，结构总重量在第26步时，介于372 207～379 033 kN范围，27步时大幅度下降，直至34步时达到最低值，而此时的梁剪压比，以及游离于规范限值之外，小于约束要求的10%。参照结构总重量和迭代步关系，设计时通过对梁剪压比的调整，完成对结构总重量的整体和局部控制。

2.2.2 位移比、位移角和结构周期比

三者与迭代步关系相对平稳，其中位移角在优化时，尽量不超过1/1210～1/913范围，其中在第34步趋于最大值；结构最大位移始终在1.10～1.12范围徘徊；结构周期比的变化也相对平稳，基本不脱离0.75值。由此可见，本项目框架核心筒结构的位移比、位移角和结构周期比，基本不需要再次进行优化，仅按照原来设计思路即可。

2.2.3 首层框架部分剪力分配比例和梁剪压比

优化期间，分配第一层框架的部分剪力，分配比例均低于10%，只有在第13步时区域最大值10.8%。至于梁的剪压比，优化时超出规范值的频率比较高，其中在第27步时变化尤为明显，第34步时超出限值的16%，需要进行重点优化。

2.2.4 剪力墙、柱最大轴压比

优化时发现轴压比变化平稳，其中柱徘徊于0.5，墙徘徊于0.26。

2.3 优化结果

通过以上的优化，变量顺序单独变化不大，包括总重量、位移比、位移角、周期比等在内，优化效果都有明显的变化。

在第34步时，梁剪压比、墙轴压比的结构位移角，达到最大值，而结构总重量达到最小值，结构刚度明显不够。但在梁和柱等截面尺寸小幅度增加后，结构总总量才趋于平稳，优化前后效果如下：

①总重量。

优化前376 825 kN，优化后358 752 kN，变化率-4.8%。

②第一周期。

Y向优化前1.756，优化后1.871，变化率6.55%；X向优化前1.654，优化后1.722，变化率4.11%。

③第一扭转周期。

优化前1.319，优化后1.375，变化率4.25%。

④周期比。

优化前0.751，优化后0.751，变化率为零。

⑤最大位移角。

X向优化前1/1267，优化后1/1200，变化率5.58%；Y向优化前1/1137，优化后1/1025，变化率10.92%。

⑥最大位移比。

X向优化前1.110，优化后1.114，变化率0.36%；Y向优化前1.087，优化后1.081，变化率-0.55%。

⑦基底剪力。

X向优化前24 300 kN，优化后22 286 kN，变化率-8.29%；Y向优化前24 302 kN，优化后22 455 kN，变化率-7.6%。

⑧首层减重比。

X向优化前6.45%，优化后6.21%，变化率-3.72%；Y向优化前6.45%，优化后6.25%，变化率-3.10%。

⑨首层框架占剪力比例。

X向优化前9.11%，优化后10.27%，变化率12.73%；Y向优化前2.82%，优化后14.79%，变化率424.47%。

综合以上的优化结果，优化后的结构构件截面基本都进行了减小，表示结构刚度的变化均匀，并且X向和Y向的基底剪力相仿，不存在明显的扭转效应，符合结构设计的基本要求，优化效果较佳。

2.4 经验总结

其他房屋框架核心筒结构设计，参照案例项目，以结构总重量作为优化的目标，选择梁截面尺寸、柱截面尺寸和墙截面尺寸作为优化的参数，同时综合考虑墙轴压比、柱轴压比、结构位移比、位移角和梁减压比等约束条件，借助软件分析整体结构的抗震成效。

这种优化设计方法具有较强的可比性，优化后的设计指标，比较接近规范限值，符合设计原则“物尽其用”，值得在实际设计工作中推广应用。

3 结 语

通过研究，基本明确了结构优化设计的方法，但考虑到不同房屋框架核心筒结构设计要求和条件的差异性，以上方法在其他房屋框架核心筒结构设计工作中，要结合实际工程的设计要求和条件，予以灵活地参考借鉴，并在不脱离实际的情况，在设计工作中，归纳总结出更多科学合理的设计经验，作为本文研究和补充的内容。

参考文献：

[1] 李凯文.某框架-核心筒结构改建的抗震鉴定[J].工程抗震与加固改 造，2011，（4）：109-115.

[2] 林启明.基于框架核心筒结构在建筑结构设计中的应用[J].工程技术 （文摘版），2016，（14）：34.

[3] 高宇飞，李辉，陈赛花.浅谈框架核心筒结构设计的应用[J].工程技术（文 摘版），2015，（60）：54.