影响高层框剪结构优化设计的主要控制因素研究

崔云静

【摘 要】建筑结构设计中，对一些不允许出现裂缝或对裂缝宽度有严格限制的结构，要满足这些要求就需要提高工程造价。因此，为了提升建筑的功能与价值，同时降低建造成本，有关于混凝土结构的优化设计理论的研究工作受到结构工程界的重视。

【关键词】框剪结构；抗侧刚度；优化设计；层间位移；建筑造型；空间刚度；结构延性

0 引言

目前，多高层框架剪力墙结构的优化设计理论的应用远远落后于理论研究。同时，现有的优化方法很多是以传统的数学模型为优化模型，其描述能力和求解方法有相当的局限性，忽视了其广泛应用性和应该容易被广大工程人员掌握运用的目的。因此，这些都使现有的框架剪力墙结构优化理论和方法在实际应用中受到一定的限制。

1 体型（结构体系）

鉴于框剪力墙结构是现今常用的建筑结构形式，本部分内容主要论述该种体系的变形及受力特点。框架剪力墙体系，它兼有框架体系和剪力墙体系两者的优点，其建筑平面布置灵活，也能满足结构承载力和侧向刚度上的要求，能发挥较大的经济效益。为了增强房屋的抗扭能力，剪力墙宜布置在房屋各区段的两端。在平面形状或刚度有变化时，最好能设置剪力墙，以加强该薄弱环节。

在水平力作用下，剪力墙可看作为竖向悬臂弯曲构件进行内力分析，其变形曲线呈弯曲型，楼层越高水平位移增长的速度越快，而顶点水平位移值与高度是四次方关系：

均布荷载时：u=■

倒三角形荷载时：u=■

式中：H为建筑总高度；EI为弯曲刚度。

在一般的剪力墙结构中，楼层剪力在各道剪力墙之间是按其等效刚度EI叫的比例进行分配。框架在水平力作用下，其变形曲线为剪切型，楼层越高水平位移增长越大。在纯框架结构中，各棍框架的变形曲线类似。所以，楼层剪力按框架柱的抗侧刚度D值比例而进行分配。对于框架剪力墙建筑结构，框架与剪力墙之间通过平面内刚度无限大（假定）的楼板连接在一起。在水平力作用下，使框架与剪力墙的水平位移协调一致，不能各自自由变形，在不考虑扭转影响的情况下，在同一楼层的水平位移将会相同。因此，框剪结构在水平力作用下的变形曲线应呈反S形的弯剪位移曲线。

2 基础体系及地下室楼盖结构造型

基础工程约占工程总造价的20%-30%左右，因其位于地基下，施工复杂，难度大，所以基础结构的优化设计尤其重要。同时，应该充分重视施工方案的可行性。建筑地下结构的优化设计，应包含基础选型、地下室底板、外墙、顶板结构设计及防水、地下室楼盖结构选型和上部主体结构嵌固部位构造设计等。其中基础体系的选择及地下室楼盖结构选型是最为主要的。

2.1 带地下室的建筑基础体系

1）为保证建筑物不致发生过量沉降或倾斜，并能满足正常使用要求，建筑基础的选取应综合考虑建筑所在场地的地质状况、水位、其上部结构类型、使用功能、施工条件以及相邻建筑的相互影响。

2）基础体系应选用整体性能好，并能满足地基承载力和建筑物容许变形的要求，同时能适应不均匀沉降，以达到其安全实用和经济合理的目的。

3）对于多层建筑，当地基承载力较大，或采用复合地基时，可以优先采用独立桩基基础。

2.2 地下室楼盖结构选型

多高层建筑中的地下室，一般都作为地下车库，楼层层高一般为2.7m-3.3m，所以无梁楼盖为常见的楼盖形式。这种楼盖，可最大限度地增加室内净层高，增强了地下室的使用功能。楼盖的配筋常用预应力钢筋，作为上部主体结构的嵌固部位，保证楼盖的安全适用性。

3 建筑平面造型

高层建筑的外形可以分为板式和塔式两大类。板式建筑平面两个方向的尺寸相差较大，分为长、短边。为了增大一字形板式建筑短方向的抗侧刚度，可以将板式建筑平面做成折线形或曲线形。塔式建筑平面两个方向的尺寸接近或相差不大，其平面形状有圆形、方形、长宽比小的矩形、Y形、井形、切角的三角形等，高层建筑常采用塔式的建筑平面形式。

建筑平面形状是简单规则的凸平面，如圆形、正多边形、椭圆形等平面，可以减小风压。有较多凹凸的复杂形状平面，如V形、Y形、H形平面等，则对抗风不利。因此，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。平面形状不宜过于狭长，突出部分的长度不宜过大，不宜采用角部重叠或是细腰形的平面形式。平面过于狭长的建筑物，当在风荷载作用下时，有可能出现楼板弯曲。同时，当在地震作用下，有可能由于地震地面运动的相位差而使结构两端的振动不一致，产生震害，还可能出现楼板平面内高振型，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。

4 建筑高度与竖向高宽比

①钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度和高宽比分为A级和B级。B级高度高层建筑结构的最大适用高度和高宽比较A级有所放宽，其结构抗震等级和有关的计算、构造措施应符合各规范相应条文的规定。

②A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度宜符合《高规》表4.2.2-1的规定，短肢剪力墙、筒体结构的最大适用高度应符合《高规》7.1.2条的规定。框架剪力墙、剪力墙和筒体结构高层建筑，其高度超过表4.2.2-1规定时为B级高度高层建筑。B级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度不宜大于《高规》表4.2.2-2的规定。

③对高层建筑的高宽比作出限制规定，目的在于对建筑结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性等各个关键性的方面进行造型控制。A级高度高层建筑的高宽比限值见《高规》表4.2.3-1，B级高度高层建筑的高宽比限值见《高规》表4.2.3-2。高层建筑的高宽比在满足限值时，可不进行稳定验算，超过限值时应进行稳定验算。

5 结构平面布置

①建筑的结构应设计成双向抗侧力结构体系，主体结构构件之间不宜采用铰接连接。当有抗震设计要求时，在两个主轴方向均应布置剪力墙，增强抗扭及抗震承载变形能力。主体结构构件的中线宜互相重合，结构梁与结构柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。

②剪力墙的布置宜符合下列要求：剪力墙应均匀对称地布置在建筑物的周边附近、楼电梯间、恒载较大的部位。在伸缩缝、沉降缝、防震缝两侧不宜同时设置剪力墙。剪力墙的布置宜分布均匀，单片墙的刚度宜接近。剪力墙间距不宜过大，应满足楼盖平面刚度的需要，否则应考虑楼盖平面变形的影响。

6 楼盖结构体系

①在设计中，运用概念设计理论思想，应该同时综合协调考虑水平分体系和竖向分体系的结构平面布置与类型，以达到理想的承载力、刚度和其他综合效益的要求。

②楼盖体系方案的选择应考虑的因素包括：建筑空间功能要求、跨度、活荷载的大小、规划设计或当地规文限定的结构层间容许高度等因素。对于高层建筑，工程造价及倾覆力矩、承载能力对高层建筑的建筑高度非常敏感。

③另外，在同样的设计条件下，不同的楼盖体系的结构自重也随之会有所不同，各层的自重通过逐层叠加后，最终传递到基础，从而直接影响基础的造价。较重的楼盖结构会要求较大截面尺寸的柱子和剪力墙设计，同时配筋也会增加。因此，增加了工程造价及施工工时。此外，较重的楼盖结构会加大地震作用下的惯性力，从而加大抗侧力构件的抗震补强要求。

7 结束语

总之，在当前结构优化程序开发相对滞后的情况下，开展对框架剪力墙结构整体优化设计理论的研究，形成一套优化设计理论体系，对于结构优化设计理论的不断丰富和发展及其推广，具有重大现实意义。

【参考文献】

[1]李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述[J].工程设计学报，2001.

[2]林德忠.框架：剪力墙结构的刚度优化方法[J].河北建筑工程学院学报，2000（9）.

[责任编辑：丁艳]