论文部分内容阅读
【摘要】高层建筑的结构优化是一个亟待解决和非常复杂的工程难题，结构优化带来的经济效益也是巨大的，因此研究和开发应用钢筋混凝土结构优化技术对节约工程投资具有重大意义。本文根据目前建筑结构设计发展需要，从钢筋混凝土结构优化设计应用出发，总结出了钢筋混凝土框架-剪力墙结构建筑优化设计方法，以供参考。
【关键词】框架-剪力墙；结构；优化设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
某高层建筑由5层裙楼和a、b两栋高层组成，a楼为20层，高76m，b楼为30层，楼高114m，地下两层。总建筑面积约5.6万m2。本工程采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，建筑结构的安全等级为二级。地震基本烈度为7度（0.1g，第二组，特征周期0.4s），抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度（0.1g，第二组）。地基基础设计等级为乙级。上部结构和负一层的框架抗震等级为二级，剪力墙为二级结构，负二层的框架抗震等级为三级。基本风压：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度为B类。
2框架-剪力墙建筑结构优化设计分析
高层框架剪力墙结构体系中，主要是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计，其中剪力墙的设计位置和数量就是关键。
2.1钢筋混凝土框架結构的优化设计
在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面的优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征的配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征的变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各控制截面的控制内力也发生相应变化，据此进行下一步的优化设计。因此，结构优化就是一个不断迭代、渐进的寻优过程。
2.2结构最优设防的选择
在预测地震烈度概率分析的基础下，使用专业地震安全评价报告的数据，采用模糊综合评定分析法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度，损失等级概率和震害损失的概率预估期望值，在满足最大投资期望和最大损失约束条件下，求出最优地震设防烈度值。
2.3框架与剪力墙协同工作，承载力、刚度、延性能力的最佳匹配设计
剪力墙结构的设计主要是结构刚度和结构延性的最佳组合。结构刚度对结构的主要影响为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力能力的前提下的变形能力，因此可以采用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性，按规范对层间位移量和顶点位移总侧移的限值来控制结构的刚度和延性设计。
2.4框架-剪力墙结构的优化设计
框架结构优化设计的原则就是结构优化的原则，通过一次性完成的结构件，逐步优化各个构件，以达到结构受力合理，节约投资的目的。
2.5基础优化设计
（1）主楼和裙楼的基础分别设计，根据勘查要求，主楼采用筏板基础，裙楼采用独立基础，基础底板或桩基承台要按照经验和计算结果设置，不得随意增加厚度或加大钢筋。例如在地下室基础的初步设计工作中，原初步设计地下室基础拟全部采用筏板基础，经审核计算后，提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法能做到节约钢筋、混凝土。同时保证结构安全，施工简便，能达到更加节省工程成本目的。因此对纯地下室基础
采用独立基础加抗浮锚杆、底板方式设计施工图（图1）。
【图1】独立柱基础剖面图
（2）对地下室有防水要求的基础底板，裂缝宽度可控制为0.2mm；地下室顶板及外墙，要求荷载取值准确、有些荷载可根据实际情况选用，不得累加。
（3）作为塔楼的嵌固端，地下室的顶板不宜太薄，在覆土不太厚的情况下，采用十字梁较好，在覆土较厚时，采用井字梁较宜。
（4）依据地质勘察报告，基础持力层为中密卵石层，a、b栋塔楼采用筏板基础，裙楼基础采用独立柱基础加抗水底板，裙楼和纯地下室部分采用抗浮锚杆。
2.6强化“强柱弱梁、强剪弱弯”设计理念框架结构的柱、剪力墙设计要引起重视，要加强设计；而梁和板的配筋不宜调大，梁的设计变量主要是截面高、宽及纵向受拉钢筋的截面积和架立钢筋的截面积，优化设计主要针对以上设计变量进行优化，因此梁的截面尽量按正常值取定，少做宽扁梁，配筋率也应控制在1.5%左右，次梁的箍筋宜分为加密区和非加密区。
2.7楼板优化设计
考虑到楼板要预埋管道的要求，楼板较薄时施工容易造成裂缝，因此楼板设计时采用弹性假定，不采用塑性假定设计，计算楼板厚度、配筋的折减等，精心配筋。最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中较大值相同板厚时混凝土强度等级低、钢筋强度大时，最小配筋率低，故优先采用三级筋；板中抗裂钢筋（分布筋）最小配筋率为0.1%，当120mm厚板时，可用Ф6@150；尽量不用大跨厚板。
3优化设计效果
为验证设计优化的有效性，分析结构设计的初步方案，采用工程所在地的市场价格。本工程的最终优化的结果为：节约钢筋65t，节约资金约32万元。
4钢筋混凝土结构优化设计要点总结分析
除了工程实践中所分析优化设计方法外，总结出以下几点关于框架-剪力墙结构优化设计要点：
（1）分散：剪力墙的布置应考虑地震力分散作用于刚度大致相等的多片剪力墙上。因为如果地震力集中作用到一两片刚度很大的剪力墙上，会造成墙体内力很大，截面设计困难，且主要受力剪力墙一旦破坏后，其余较弱剪力墙和框架很难额外负担起该剪力墙传来的很大地震力，以致出现破坏。
（2）均匀：同方向的各片剪力墙不要集中于某一区段内，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。
（3）周边：剪力墙尽可能沿结构平面的周边布置，以获得结构抗力的最大水平力臂，充分提高整个结构的抗扭转能力。
（4）一般情况下，剪力墙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、楼梯间、电梯及管道并。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。
（5）剪力墙的门窗洞宣上下对齐，形成明确的墙肢和连梁，不宜采用错洞墙。剪力墙的布置对结构抗侧刚度有很大影响，剪力墙缘高度不连续，将造成结构刚度突变，故尽量不设转角窗；无法避免时，应在转角处采取增大墙厚、板厚及设暗梁等加强措施，以保证相邻楼层刚度的减弱不宜大于30％。
（6）剪力墙的位置设置要保证足够的刚度，结构平面应布置一些短肢剪力墙，形成短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙体系。
（7）轴压比也是剪力墙设计的一个重要参考指标，当其太小时说明没有充分发挥材料的力学性能，应减少布置一些剪力墙。
除了所述以上要点外，钢筋混凝土结构优化还需以先进设计理念为指导，借助先进的建筑结构设计软件，融入科学的结构设计优化流程，从整体上提高钢筋混凝土结构建筑优化设计水平。
参考文献：
[1]周宏庚，姜巍。基于ANSYS的剪力墙水平承载力特征值计算模拟[J]。工程建设与设计，2012，(11)。
[2]魏琏，刘畅，王森，陈军，姚永革，何子文。某超限高层框支剪力墙结构动力和静力弹塑性分析[J]。建筑结构，2012，(11)。
[3]韩斌。高层建筑中短肢剪力墙结构截面设计与构造问题探析[J]。科技视界，2012，(31)。
[4]谭建宁。高振型对钢筋混凝土剪力墙结构抗震计算的影响[J]。科技视界，2012，(31)。
【关键词】框架-剪力墙；结构；优化设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1工程概况
某高层建筑由5层裙楼和a、b两栋高层组成，a楼为20层，高76m，b楼为30层，楼高114m，地下两层。总建筑面积约5.6万m2。本工程采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，建筑结构的安全等级为二级。地震基本烈度为7度（0.1g，第二组，特征周期0.4s），抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度（0.1g，第二组）。地基基础设计等级为乙级。上部结构和负一层的框架抗震等级为二级，剪力墙为二级结构，负二层的框架抗震等级为三级。基本风压：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度为B类。
2框架-剪力墙建筑结构优化设计分析
高层框架剪力墙结构体系中，主要是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计，其中剪力墙的设计位置和数量就是关键。
2.1钢筋混凝土框架結构的优化设计
在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面的优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征的配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征的变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各控制截面的控制内力也发生相应变化，据此进行下一步的优化设计。因此，结构优化就是一个不断迭代、渐进的寻优过程。
2.2结构最优设防的选择
在预测地震烈度概率分析的基础下，使用专业地震安全评价报告的数据，采用模糊综合评定分析法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度，损失等级概率和震害损失的概率预估期望值，在满足最大投资期望和最大损失约束条件下，求出最优地震设防烈度值。
2.3框架与剪力墙协同工作，承载力、刚度、延性能力的最佳匹配设计
剪力墙结构的设计主要是结构刚度和结构延性的最佳组合。结构刚度对结构的主要影响为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力能力的前提下的变形能力，因此可以采用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性，按规范对层间位移量和顶点位移总侧移的限值来控制结构的刚度和延性设计。
2.4框架-剪力墙结构的优化设计
框架结构优化设计的原则就是结构优化的原则，通过一次性完成的结构件，逐步优化各个构件，以达到结构受力合理，节约投资的目的。
2.5基础优化设计
（1）主楼和裙楼的基础分别设计，根据勘查要求，主楼采用筏板基础，裙楼采用独立基础，基础底板或桩基承台要按照经验和计算结果设置，不得随意增加厚度或加大钢筋。例如在地下室基础的初步设计工作中，原初步设计地下室基础拟全部采用筏板基础，经审核计算后，提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法能做到节约钢筋、混凝土。同时保证结构安全，施工简便，能达到更加节省工程成本目的。因此对纯地下室基础
采用独立基础加抗浮锚杆、底板方式设计施工图（图1）。
【图1】独立柱基础剖面图
（2）对地下室有防水要求的基础底板，裂缝宽度可控制为0.2mm；地下室顶板及外墙，要求荷载取值准确、有些荷载可根据实际情况选用，不得累加。
（3）作为塔楼的嵌固端，地下室的顶板不宜太薄，在覆土不太厚的情况下，采用十字梁较好，在覆土较厚时，采用井字梁较宜。
（4）依据地质勘察报告，基础持力层为中密卵石层，a、b栋塔楼采用筏板基础，裙楼基础采用独立柱基础加抗水底板，裙楼和纯地下室部分采用抗浮锚杆。
2.6强化“强柱弱梁、强剪弱弯”设计理念框架结构的柱、剪力墙设计要引起重视，要加强设计；而梁和板的配筋不宜调大，梁的设计变量主要是截面高、宽及纵向受拉钢筋的截面积和架立钢筋的截面积，优化设计主要针对以上设计变量进行优化，因此梁的截面尽量按正常值取定，少做宽扁梁，配筋率也应控制在1.5%左右，次梁的箍筋宜分为加密区和非加密区。
2.7楼板优化设计
考虑到楼板要预埋管道的要求，楼板较薄时施工容易造成裂缝，因此楼板设计时采用弹性假定，不采用塑性假定设计，计算楼板厚度、配筋的折减等，精心配筋。最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中较大值相同板厚时混凝土强度等级低、钢筋强度大时，最小配筋率低，故优先采用三级筋；板中抗裂钢筋（分布筋）最小配筋率为0.1%，当120mm厚板时，可用Ф6@150；尽量不用大跨厚板。
3优化设计效果
为验证设计优化的有效性，分析结构设计的初步方案，采用工程所在地的市场价格。本工程的最终优化的结果为：节约钢筋65t，节约资金约32万元。
4钢筋混凝土结构优化设计要点总结分析
除了工程实践中所分析优化设计方法外，总结出以下几点关于框架-剪力墙结构优化设计要点：
（1）分散：剪力墙的布置应考虑地震力分散作用于刚度大致相等的多片剪力墙上。因为如果地震力集中作用到一两片刚度很大的剪力墙上，会造成墙体内力很大，截面设计困难，且主要受力剪力墙一旦破坏后，其余较弱剪力墙和框架很难额外负担起该剪力墙传来的很大地震力，以致出现破坏。
（2）均匀：同方向的各片剪力墙不要集中于某一区段内，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。
（3）周边：剪力墙尽可能沿结构平面的周边布置，以获得结构抗力的最大水平力臂，充分提高整个结构的抗扭转能力。
（4）一般情况下，剪力墙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、楼梯间、电梯及管道并。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。
（5）剪力墙的门窗洞宣上下对齐，形成明确的墙肢和连梁，不宜采用错洞墙。剪力墙的布置对结构抗侧刚度有很大影响，剪力墙缘高度不连续，将造成结构刚度突变，故尽量不设转角窗；无法避免时，应在转角处采取增大墙厚、板厚及设暗梁等加强措施，以保证相邻楼层刚度的减弱不宜大于30％。
（6）剪力墙的位置设置要保证足够的刚度，结构平面应布置一些短肢剪力墙，形成短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙体系。
（7）轴压比也是剪力墙设计的一个重要参考指标，当其太小时说明没有充分发挥材料的力学性能，应减少布置一些剪力墙。
除了所述以上要点外，钢筋混凝土结构优化还需以先进设计理念为指导，借助先进的建筑结构设计软件，融入科学的结构设计优化流程，从整体上提高钢筋混凝土结构建筑优化设计水平。
参考文献：
[1]周宏庚，姜巍。基于ANSYS的剪力墙水平承载力特征值计算模拟[J]。工程建设与设计，2012，(11)。
[2]魏琏，刘畅，王森，陈军，姚永革，何子文。某超限高层框支剪力墙结构动力和静力弹塑性分析[J]。建筑结构，2012，(11)。
[3]韩斌。高层建筑中短肢剪力墙结构截面设计与构造问题探析[J]。科技视界，2012，(31)。
[4]谭建宁。高振型对钢筋混凝土剪力墙结构抗震计算的影响[J]。科技视界，2012，(31)。