摘要:在比较传统结构设计和优化设计优劣的基础上分析了高层框剪结构优化设计的必要性,探讨了剪力墙的合理选型和优化布置及框架一剪力墙结构的分部优化,最后分析了抗震概念设计的思想在框剪结构优化设计中的应用。
关键词:框剪结构;优化设计;剪力墙
高层框剪结构是由框架结构和剪力墙结构体系组成的一种结构体系,是由延性较好的框架、抗侧力刚度较大并带有边框的剪力墙和耗能性能良好的连梁共同组成的一种结构体系。在高层建筑的结构设计中,框剪结构由于其能为建筑使用提供较大的平面空间,又具有较大的抗侧力刚度而得到广泛应用,特别是用于结构平面和功能复杂的高层办公楼、医院病房及酒店等高层建筑。本文探讨了高层框架――剪力墙的结构优化设计的相关问题。
1.框剪结构优化设计的必要性
传统的结构设计方法一个很大的局限在于所求得的一组截面不一定是最好的,工程结构建起来后或者是重量大,或者是造价高,这与其设计过程密不可分。一般而言,传统的结构设计遵循以下程序:参照一估计一分析一验算一调整。也就是在参考已有工程设计实践经验的基础上提出设计方案,再在强度、刚度、稳定性各方面做必要的力学分析来进行安全校核,如果验算结构不满足要求就要进行设计调整。然而该验算时所假定的计算模型难以保证合理,最后得到一组截面,在很大程度上取决于最初假定的误差程度,再者,设计时迫于时间及结构计算的复杂性往往决定了调整的次数是有限的,因而设计出的最终产品难以保证是最优的。而结构的优化设计虽然与传统的结构设计有一样的设计过程,但其最终的设计目的是产品的良好性能,同时保证安全性及经济性。也就是说,最优设计是在一个明确特定指标(如结构的体积最小、重量最轻、造价最省)下来说明结构的经济性与安全性。而且,结构优化设计的一个最大特点是将设计问题转化为严格的数学规划问题求解,可利用计算机连续快速作出方案比较,从数百个方案比较中,找到最优设计方案,这是传统设计过程所不能比拟的。
框架一剪力墙结构以其良好的受力性和适用性在现代高层建筑领域中应用非常广泛。伴随着高层建筑的迅猛增加,对框架一剪力墙结构的合理选型和优化布置,对于节约建设成本具有指导性意义。然而目前《高层建筑混凝土结构设计规程》(JGJ3-2002)(以下简称“高规")对高层建筑的结构选型尤其是合理布置尚未做出一个明确的具体的规定,这就为高层框剪结构的优化设计提供了充足的设计理由。
2.剪力墙的合理选型和优化布置
2.1影响剪力墙用量的因素及确定方法
在设计中既要满足位移限值的要求,又要充分发挥框剪结构中各抗侧力构件的作用,做到安全、经济合理是设计的根本目的。要做到这一点就要确定剪力墙的合理数量。
(1)剪力墙是框剪结构中的主要抗侧力构件,因此剪力墙的用量与框剪结构的平面布置有关,一般应按“分散、均匀、周边、对称”的原则布置。分散即是剪力墙的布置应考虑地震力分散作用于大致相等的多片剪力墙上,以免地震力集中造成主要剪力墙破坏,而其余剪力墙和框架因较弱而难以承受。均匀是指同方向的各片剪力墙应比较均匀地布置在建筑平面的各个区段,而不是集中于某一区段内,每道剪力墙承受的水平力不宜超过总水平力的40%,以防止因楼盖过大的水平变形导致地震力在各框架间的不均匀分配;对称是指剪力墙尽量对称布置以减弱地震时结构的扭转效应;周边是指剪力墙应尽量沿结构周边布置而提高结构整体抗扭能力,因此时获得结构抗力的最大水平力臂。
(2)剪力墙用量与结构地震力大小直接相关。结构总水平地震作用随剪力墙刚度的增加而加大。随着剪力墙的增多、结构刚度变大、周期缩短,相应的地震作用就会越强。为能充分发挥框架一剪力墙体系的结构特性,剪力墙在结构底部所承担的地震弯矩值应不少于总地震弯矩值的50%。当结构底部剪力过小宜适当增加剪力墙用量来提高结构刚度保证安全,一般来讲多设剪力墙对抗震是有利的――“墙越多震害越轻”是指剪力墙越多结构刚度越大,但墙越多吸收的地震能量也越多,所以剪力墙不能无限制增加,需根据实际情况适当增加以满足底部一般剪力要求。当地震力过大宜适当减少剪力墙用量以求合适的经济技术指标。
(3)剪力墙数量的设置还应考虑抗震设防烈度、近场远场的影响、场地土、结构侧移限值等方面的因素。在满足规范规定的位移限值条件下,剪力墙数量应尽量减少,并能充分发挥框架承担0.2V。楼层总剪力的作用,这样结构的地震反应相对小,且做到经济合理。
2.2剪力墙的截面尺寸
框剪结构中的剪力墙应该有边缘约束构件,也就是边框柱和边框梁。相关规定规定有抗震要求的一二级剪力墙的底部加强部位厚度不可小于200mm,并不小于层高或无支长度的1/16,其他情况下在满足不小于160mm的前提下还应不小于层高或无支长度的1/20;其边框梁的宽度宜与墙同厚,其高度可为厚度的2倍,因此一个合理的剪力墙结构厚度既要保证结构安全且要保证经济合理。总之,剪力墙的厚度应在满足层高的1/20-1/16的前提下应尽量取其厚度为200mm。
2.3剪力墙的平面布置
一般情况下,剪力墙应沿纵横两个方向布置,因为当无法在两个方向布置时,会造成建筑物平面两个方向刚度相差悬殊,增强建筑物的扭转效应。对于圆形和弧形平面,应沿径向和环向布置。纵向剪力墙不宜设置在独立结构单元的两端,以免纵向框架梁和楼板因受到变形约束的区段过长而产生较大的收缩和温度应力。剪力墙应尽量布置在竖向荷载较大处,平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处和楼梯间、电梯及管道井部位。当剪力墙无法在结构纵横两个方向布置时,在刚度弱的方向可采用壁式框架或支撑等抗侧力构件,使两个方向在水平力作用下的位移值接近。剪力墙的门窗洞宜上下对齐,形成明确的墙肢和连梁,不宜采用错洞墙。
3.框架一剪力墙结构的分部优化
该理论提出对剪力墙和框架分别进行优化,其中钢筋混凝土框架结构的优化的具体步骤包括:初始选型、结构分析、截面优化设计、收敛性判断和可行性判断。根据框架结构构件内力的计算结果分别对框架梁、框架柱及楼板结构进行分部优化设计,可得具有优化设计意义的梁、板、柱的几何尺寸。剪力墙结构的优化设计包括最优厚度设计及设置位置设计,对框架一剪力墙结构剪力墙抗侧移构件水平截面面积的优选原则就是:在水平地震作用下,结构水平侧移值达到或接近等于规范规定的最大侧移值。最后将框架结构计算得到的几何尺寸与剪力墙构件最优厚度重新组成新的框一剪结构体系进行结构内力分析,按照计算所得结果,重新对框架结构构件进行优化设计。若两次优化计算结果基本一致,则认为最后优化计算结果即是整体优化设计。
4.框剪结构设计中概念设计思想的应用
高层建筑结构体系的一个重要特点是水平荷载成为决定性荷载,因为水平荷载对结构产生的倾覆力矩,以及由此在竖向构件中引起的轴力,是与建筑物高度的二次方成正比。在高层建筑中由风或地震作用引起的水平荷载起主要控制作用,顶点和层间侧移是设计时主要考虑的问题,而一般情况下地震作用产生的结构侧移大大超过了风荷载,因此高层框剪结构的优化设计体现为抗震设计,而在建筑抗震设计中,概念设计思想尤为重要。概念设计即通过对建筑物的总体结构体系进行控制,选用体型简单、规则,平面对称,抗侧力体系的刚度和承载力上下变化连续、均匀的方案,设计出抗震性能良好的建筑。
框架――剪力墙结构本身就是结构优化设计及抗震概念设计的一个重要体现,即体现为框架和剪力墙结构体系的优化组合。因为框架结构柱网布置灵活,可满足使用功能要求,且为主要竖向受力构件。外围框架柱除承受楼层荷载外,还承受高层总体的倾覆力。剪力墙同样可以在框架间灵活布置,主要承受侧向力作用。而且它与框架结构的变形在总体上为协调互补(侧移一个是剪切型,另一个是弯曲型),当框架与剪力墙结合成为一个整体时,结构水平位移曲线为反S型,整个结构体系自下而上的侧移得到了最佳的协调和减小,而整体结构侧向刚度得到了提升。在下部楼层剪力墙承受80%水平剪力而变形很小,上部楼层框架以其小变形抵挡剪力墙的外拉变形,共同承受很大的水平剪力,提高了结构的抗震能力。
框剪结构设计中对于连梁的设计要求也体现了概念设计的思想:在小震及风荷载作用下,连梁应能起到联系墙肢并增大剪力墙侧向刚度的作用,不应出现裂缝,及连梁的设计增加了体系的超静定次数;在中震作用下,连梁应首先出现弯曲裂缝,通过塑性耗能来减小墙肢的地震损伤,牺牲局部保全整体;最后当大震来临时,允许连梁出现剪切破坏,即地震引起的破坏仅限于超静定次数的降低,即出现部分塑性铰减少结构的约束度。
5.结语
由于传统的结构设计方法存在过于保守的局限性,对框架一剪力墙结构进行优化设计很有必要,对框架一剪力墙结构的合理选型和优化布置对于节约建设成本具有指导性意义。本文探讨了剪力墙的合理选型及布置问题,期望能对解决高层框剪结构的优化设计这一个工程难题有所启示。
参考文献:
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