高層框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

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1、高層框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究　　摘要:在比較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上分析了高層框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性,探討了剪力墻的合理選型和優(yōu)化布置及框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化,最后分析了抗震概念設(shè)計(jì)的思想在框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:框剪結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);剪力墻　　高層框剪結(jié)構(gòu)是由框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)體系組成的一種結(jié)構(gòu)體系,是由延性較好的框架、抗側(cè)力剛度較大并帶有邊框的剪力墻和耗能性能良好的連梁共同組成的一種結(jié)構(gòu)體系。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,框剪結(jié)構(gòu)由于其能為建筑使用提供較大的平面空間,又具有較大的抗側(cè)力剛度而得到廣泛應(yīng)用,特別是用于結(jié)構(gòu)平面和功能復(fù)雜的高層辦公

2、樓、醫(yī)院病房及酒店等高層建筑。本文探討了高層框架――剪力墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題?！　?.框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性　　傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法一個(gè)很大的局限在于所求得的一組截面不一定是最好的,工程結(jié)構(gòu)建起來(lái)后或者是重量大,或者是造價(jià)高,這與其設(shè)計(jì)過(guò)程密不可分。一般而言,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循以下程序:參照一估計(jì)一分析一驗(yàn)算一調(diào)整。也就是在參考已有工程設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出設(shè)計(jì)方案,再在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性各方面做必要的力學(xué)分析來(lái)進(jìn)行安全校核,如果驗(yàn)算結(jié)構(gòu)不滿足要求就要進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。然而該驗(yàn)算時(shí)所假定的計(jì)算模型難以保證合理,最后得到一組截面,在很大程度上取決于最初假定的誤

3、差程度,再者,設(shè)計(jì)時(shí)迫于時(shí)間及結(jié)構(gòu)計(jì)算的復(fù)雜性往往決定了調(diào)整的次數(shù)是有限的,因而設(shè)計(jì)出的最終產(chǎn)品難以保證是最優(yōu)的。而結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一樣的設(shè)計(jì)過(guò)程,但其最終的設(shè)計(jì)目的是產(chǎn)品的良好性能,同時(shí)保證安全性及經(jīng)濟(jì)性。也就是說(shuō),最優(yōu)設(shè)計(jì)是在一個(gè)明確特定指標(biāo)(如結(jié)構(gòu)的體積最小、重量最輕、造價(jià)最省)下來(lái)說(shuō)明結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性與安全性。而且,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)最大特點(diǎn)是將設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格的數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題求解,可利用計(jì)算機(jī)連續(xù)快速作出方案比較,從數(shù)百個(gè)方案比較中,找到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程所不能比擬的。　　框架一剪力墻結(jié)構(gòu)以其良好的受力性和適用性在現(xiàn)代高層建

4、筑領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。伴隨著高層建筑的迅猛增加,對(duì)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的合理選型和優(yōu)化布置,對(duì)于節(jié)約建設(shè)成本具有指導(dǎo)性意義。然而目前《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ3-XX)(以下簡(jiǎn)稱“高規(guī)")對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)選型尤其是合理布置尚未做出一個(gè)明確的具體的規(guī)定,這就為高層框剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了充足的設(shè)計(jì)理由?！　　　?.剪力墻的合理選型和優(yōu)化布置　　影響剪力墻用量的因素及確定方法　　在設(shè)計(jì)中既要滿足位移限值的要求,又要充分發(fā)揮框剪結(jié)構(gòu)中各抗側(cè)力構(gòu)件的作用,做到安全、經(jīng)濟(jì)合理是設(shè)計(jì)的根本目的。要做到這一點(diǎn)就要確定剪力墻的合理數(shù)量?！　?1)剪力墻是框剪結(jié)構(gòu)中的主要

5、抗側(cè)力構(gòu)件,因此剪力墻的用量與框剪結(jié)構(gòu)的平面布置有關(guān),一般應(yīng)按“分散、均勻、周邊、對(duì)稱”的原則布置。分散即是剪力墻的布置應(yīng)考慮地震力分散作用于大致相等的多片剪力墻上,以免地震力集中造成主要剪力墻破壞,而其余剪力墻和框架因較弱而難以承受。均勻是指同方向的各片剪力墻應(yīng)比較均勻地布置在建筑平面的各個(gè)區(qū)段,而不是集中于某一區(qū)段內(nèi),每道剪力墻承受的水平力不宜超過(guò)總水平力的40%,以防止因樓蓋過(guò)大的水平變形導(dǎo)致地震力在各框架間的不均勻分配;對(duì)稱是指剪力墻盡量對(duì)稱布置以減弱地震時(shí)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng);周邊是指剪力墻應(yīng)盡量沿結(jié)構(gòu)周邊布置而提高結(jié)構(gòu)整體抗扭能力,因此時(shí)獲得結(jié)構(gòu)抗力的最大

6、水平力臂?！　?2)剪力墻用量與結(jié)構(gòu)地震力大小直接相關(guān)。結(jié)構(gòu)總水平地震作用隨剪力墻剛度的增加而加大。隨著剪力墻的增多、結(jié)構(gòu)剛度變大、周期縮短,相應(yīng)的地震作用就會(huì)越強(qiáng)。為能充分發(fā)揮框架一剪力墻體系的結(jié)構(gòu)特性,剪力墻在結(jié)構(gòu)底部所承擔(dān)的地震彎矩值應(yīng)不少于總地震彎矩值的50%。當(dāng)結(jié)構(gòu)底部剪力過(guò)小宜適當(dāng)增加剪力墻用量來(lái)提高結(jié)構(gòu)剛度保證安全,一般來(lái)講多設(shè)剪力墻對(duì)抗震是有利的――“墻越多震害越輕”是指剪力墻越多結(jié)構(gòu)剛度越大,但墻越多吸收的地震能量也越多,所以剪力墻不能無(wú)限制增加,需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加以滿足底部一般剪力要求。當(dāng)?shù)卣鹆^(guò)大宜適當(dāng)減少剪力墻用量以求合適的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指

7、標(biāo)?！　?3)剪力墻數(shù)量的設(shè)置還應(yīng)考慮抗震設(shè)防烈度、近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)的影響、場(chǎng)地土、結(jié)構(gòu)側(cè)移限值等方面的因素。在滿足規(guī)范規(guī)定的位移限值條件下,剪力墻數(shù)量應(yīng)盡量減少,并能充分發(fā)揮框架承擔(dān)。樓層總剪力的作用,這樣結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)相對(duì)小,且做到經(jīng)濟(jì)合理?！　〖袅Φ慕孛娉叽纭　】蚣艚Y(jié)構(gòu)中的剪力墻應(yīng)該有邊緣約束構(gòu)件,也就是邊框柱和邊框梁。相關(guān)規(guī)定規(guī)定有抗震要求的一二級(jí)剪力墻的底部加強(qiáng)部位厚度不可小于200mm,并不小于層高或無(wú)支長(zhǎng)度的1/16,其他情況下在滿足不小于160mm的前提下還應(yīng)不小于層高或無(wú)支長(zhǎng)度的1/20;其邊框梁的寬度宜與墻同厚,其高度可為厚度的2倍,因此一個(gè)合理的

8、剪力墻結(jié)構(gòu)厚度既要保證結(jié)