多高层框架剪力墙结构整体优化设计理论的工程应用研究

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　　摘要：本文通过结构整体优化的控制因素研究可知:造型因素中的体型、建筑平面规则性、楼盖结构体系等因素对方案的优化设计影响更为明显。因此，应该重点把握对这些控制因素的优化。
　　关键词：剪力墙；结构；优化
　　
　　1造型控制
　　造型控制主要涉及的是建筑的造型方面，包括:结构体系、基础体系及地下室楼盖结构造型、建筑平面规则性、建筑高度与竖向高宽比、楼盖结构体系、剪力墙的位置与数量等。所以在进行方案的整体优化时，应该首先对造型控制优化。
　　(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，本文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。因此，框架剪力墙结构应该按照框剪结构协同工作原理进行内力分析，才能保证结构计算的安全合理性。
　　(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。一些主要的基础的选取原则如下:
　　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.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。对于楼盖的选型，应可以参照以下原则选取:
　　1).《高规》4.5.5条规定:作为上部结构嵌固部位的地下室楼层的顶楼盖应采用梁板结构。楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜低于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。
　　2).高层建筑地下室的层数取决于使用功能和地基情况。地下室楼盖多采用梁板式。
　　如果楼盖采用无梁平板加平托板柱帽时，层高可适当加高。相应地可减少地下室埋置深度，也可以减少基础的土方和护坡高度，缩短施工工期，能节省综合造价。在构造上，为解决结构板的抗冲切承载力问题，楼板加设托板、顶板设反柱帽或托板加反柱帽等加强措施。
　　(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时，外伸段与主体结构之间会出现相对运动的振型。
　　(4).楼盖结构体系
　　楼盖作为楼面荷载的承担体系，其选型对工程造价的影响很大。因此，其优化设计工作尤其重要。有关楼盖结构的选型，可考虑以下几个方面:
　　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。
　　2细部设计控制
　　细部设计控制因素主要涉及的是材料的选用，细节构造方面，是整体优化设计工作的组成部分，通过该控制因素的优化调整，可加快施工进度，增加施工效率，从而一定程度上减低工程总造价。
　　(1).混凝土、钢筋、墙体材料
　　钢筋混凝土建筑结构是由各种构件所构成，包括板，梁，柱及剪力墙、墙体等。这些构件的材料选用，在很大程度上决定的结构设计方案的合理性。结构构件的尺寸要合理，首先需要造型因素的设计优化。例如，当结构平面布置不规则对称时，结构柱因需要满足变形要求，其设计截面尺寸必须做得比较大，才能满足要求。这样，因构件截面的过大而影响建筑内部的使用功能，减少建筑的使用空间，降低了建筑的投资价值。
　　(2).细节设计
　　细节优化设计是整体优化设计的组成部分。例如，在计算结果所配的结构梁面筋净间距少于20mm时，面筋比较密集。在这种情况下，因混凝土浇注困难，混凝土就容易造成蜂窝的质量问题。所以在设计过程中，就需要对钢筋的排列在满足要求的前提下进行排列优化。又例如，在地下室顶板的预应力钢筋工程中的张拉头位置，当遇到施工后浇带时，就要优化其位置。因为如不调整，不但不方便张拉，还需按规范要求增加附加钢筋。同时，应注意配筋数量的合理性，针对实际情况对结构构件的配筋有目的地进行调整优化。
　　
　　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，2009
　　[2].孙树立，袁明武一种高层混凝土建筑结构的优化设计方法[J].工程力学，2006.
　　
　　

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