基于绿色建筑的框-剪结构优化设计研究

(西安科技大学建筑与土木工程学院 陕西 西安 710054)

引言

框-剪结构体系在高层建筑中应用比较普遍,然而在框-剪结构中,剪力墙的数量及布置、剪力墙的厚度、墙柱混凝土的强度等级等集中体现了整个框-剪结构的抗震性能、经济性能和绿色环保性能。因此,对框-剪结构体系进行合理的优化设计非常重要。基于绿色建筑的结构优化设计[1]不仅可以使结构受力更加合理还能大幅降低结构体系CO2排放。

过对框-剪结构自身的受力及变形特点及框架与剪力墙的协同工作原理的分析，结合具体的工程实例，研究剪力墙数量和布置、剪力墙的厚度、墙柱混凝土的强度等级等对结构体系的抗震性能和碳排量的影响，对框-剪结构进行优化设计，使其在满足结构抗震[2]等性能的前提下，碳排量尽可能的小。

一、框-剪结构的布置

框-剪结构中剪力墙布置[3]应按“均匀、分散、对称、周边”的基本原则考虑，尽可能做到：1.为使结构中的剪力墙充分发挥抗扭作用，框-剪结构中的剪力墙宜均匀布置在结构的周边；2.宜在建筑凸出部分的端部附近布置剪力墙予以加强。3.为增大框-剪结构中剪力墙的刚度和抗扭能力，剪力墙宜纵横向连接在一起。4.剪力墙布置宜分布均匀，剪力墙的墙肢长度不宜大于8m，每段剪力墙底部承担水平力产生的剪力不宜超过结构底部总剪力的30%。5.当剪力墙有洞口时，洞口宜上下对齐，避免错开；上下洞口间的高不宜小于该层层高的1/5。6.剪力墙的数量要适量，应避免结构抗侧刚度过大，结构受到的地震作用增大，这样既不经济也不合理。

二、框-剪结构优化设计的数学模型

(一)设计问题的目标

基于绿色建筑的框剪结构优化[4]的主要目的是在满足有关规范的前提下使框剪结构的碳排量尽可能的少。所以，设计问题的目标是使框剪结构体系的碳排量函数f(CO2)→min。

(二)设计变量

在框剪结构体系中，剪力墙的数量及布置、墙柱混凝土的强度等级、剪力墙的厚度等是决定框-剪结构体系所受水平地震剪力大小的主要因素，同时也是决定其碳排量多少的主要因素。而在整个框-剪结构中框架和剪力墙的侧移刚度的比值决定了它们之间水平地震力的分配，这也决定了总框架部分和总剪力墙部分的材料用量，最终影响到框-剪结构体系的碳排量。框架和剪力墙二者的侧向刚度比主要取决于剪力墙的数量及布置、墙柱混凝土的强度等级、框架和剪力墙的结构尺寸、钢筋的类别等。因此，对框-剪结构体系进行绿色优化设计时，设计变量可依次为：剪力墙的数量及布置、墙柱混凝土的强度等级、剪力墙的厚度、框架柱的截面尺寸、框架梁的截面尺寸、钢筋的强度等。

(三)约束条件

设计时主要满足的约束条件有以下几个方面，主要有：(1)动力特性：周期、周期比、振型；(2)变形特性：顶点位移、层间位移角；(3)内力特性：轴压比、刚重比、剪重比等。

优化设计的数学模型为通过改变设计变量，使结构在满足约束条件下，求解结构目标函数取最优解。那么框-剪结构优化的数学模型概括如下：改变框-剪结构中剪力墙的数量及布置、剪力墙的厚度、框架柱的截面尺寸、框架梁的截面尺寸、混凝土的强度等级、钢筋的强度等。使框-剪结构满足层间位移角、刚重比、剪重比、轴压比、周期比等约束条件下，框-剪结构体系的碳排量函数f(CO2)→min。

三、结论如下

1.剪力墙数量和布置对框-剪结构体系的抗震性能影响比较显著，其决定了结构体系的侧向刚度。在结构设计时，一定要根据框-剪结构体系的力学性能合理确定剪力墙的数量和位置。2.在合理的剪力墙布置下，剪力墙的厚度对结构体系的抗震性能影响较小，在结构设计时，仅仅通过改变剪力墙的厚度来改善框-剪结构的抗震性能是不合理的。3.墙柱混凝土强度等级的提高对结构体系的抗震性能有一定的影响，但是影响的效果并不明显。墙柱混凝土强度提高对结构体系的内力特性影响较大，这可以使结构体系有更大的富余能力抵抗结构破坏。在结构设计时，可以通过提高结构体系的混凝土强度等级来改善结构体系的内力特性。