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摘要：文章针对综合楼结构复杂、跨度大等特点及抗震安全方面的要求，提出了高层框剪结构设计以及优化措施，结合工程实际，从概念设计以及局部构造设计等方面具体入手。使整个综合楼结构受力更加合理，且降低了工程造价。
关键词：框-剪结构；高层综合楼；概念设计
建筑结构优化设计所追求的目标是在满足使用条件以及相关建筑规范基础上，使建筑的工程造价、重量、刚度等指标进一步优化，得到最優设计方案。为了实现这一目标，应首先确保整个建筑结构安全可靠，在此基础上全盘考虑整个结构中的单个构件，尽可能使单个构件之间协调配合，进而发挥最大效能。往往实现设计的最优标准是各个构件均达到其极限承载力。但是，通常情况这个标准很难达到，只能作为设计者追求的目标。
一、工程概况
广西省某框剪结构高层综合楼项目，其中地下1层，地上28层，5层为转换层，部分楼层采用框支结构，建筑总面积达47300m2，建筑高度达114.9m。地下1层高4.1米，1～6层层高6.0m，用于休闲娱乐。其中地下一层为停车场、地上1层～5层为商务办公及会议厅，6层位餐饮娱乐。7层至28层层高3.4m，为公寓房。该项目建筑场地属Ⅱ类，房屋安全等级二级，抗震设防等级7级，使用年限为50年。该综合楼地下结构长135m，设计时在地面上留出两道温度伸缩缝，这样的设计将整个结构分为三个单元，每结构单元均不得超出50m的设计范围的单元。地下室部分原则上不允许设缝。该工程采用大直径人工灌注桩做基础，桩径在φ1000至φ1500mm之间，其单桩竖向承载力的特征值为 3500kN至13000kN之间。
二、概念设计与优化
概念设计对于构建最佳结构体系至关重要。在建筑方案未确定之前，结构设计人员应该积极与建筑师进行沟通、协商。建筑应本着满足使用和美观
的要求，尽可能实现竖向布置、平面布置的规则、简单和均匀；设计时尽量避免采用错层结构、大底盘多搭结构、转换结构、连体结构等复杂建筑结构。这样的设计有助于改善结构体系的承载力和刚度，很好的避免了由于突变形成的薄弱部位，进而避免产生较大的集中塑性变形和应力分布；在可能的情况下
合理控制建筑物的总高度，避免应建筑高度超出相关规定而无形中提高结构的抗震等级的状况出现。
标准层平面图
本综合楼6层至28层，其功能主要为高层公寓，以下层为商用，设计上采用剪力墙结构。为了满足对6层以下空间范围的要求，进行工程设计时，局部采用框支剪力墙结构。
（一）结构平面布置的概念设计与优化
根据该建筑功能特点，如果按照布置剪力墙的常规方法设计，势必会导致结构的抗扭转刚度偏低；在房屋的北侧设置楼、电梯的核心筒会使结构的刚度中心与质量中心偏离。为了增强结构的扭转刚度以及减小刚度中心与质量中心的偏离，可通过则更加楼板厚度、在结构单元角部加长剪力墙的措施，构建楼板与剪力墙共同作用的小简体。
（二）建筑竖向体型的概念设计及优化
分布于转换层上、下位置的框支剪力墙体，由于竖向受力构件的类型转化引起建筑物竖向刚度上的突变，发生突发性事件，如地震，会导致转换层处形成薄弱环节而影响整栋建筑的安全性，不利于结构抗震。因此，在设计时应通过具体优化措施实现整体结构合理、安全。具体优化措施如下。
1．采用直接、简单的传力途径，使建筑结构受力明确。为了实现转换构件传力直接、简单的目标，以满足建筑使用功能的情况下，优化布置1至5层框支柱柱网。通过减少转换次数的措施，使传力途径最短。在该工程设计中，在框支剪力墙下设置截面均为1000mm×1000mm的框支柱3根，其上部剪力墙支撑在框架柱上；而在结构单元末端位置，每个短剪力墙都设置一个500×1000mm的扁形框支柱，使短剪力墙大部分截面落在扁形框支柱上，从而很好的减少转换次数。
2．优化布置转换层下部结构框支柱和剪力墙。设计时为了尽可能保证结构沿竖向刚度均匀变化，避免有过大的内收和外挑。对转换层下部结构框支柱以及剪力墙优化布置，如加设尽可能多的贯通构件；将落地剪力墙厚度从200mm增加到250mm，进而加强框支柱两侧的剪力墙；充分满足建筑造型要求的条件下，尽可能加大框支柱的截面积。
3．剪力墙的布置。高层剪力墙布置时，在满足建筑使用功能的基础上，剪力墙宜均匀、集中布置在楼梯间、电梯间、建筑物的周边附近；平面形状变化或竖向载荷较大的部位，剪力墙的间距不宜过大，本工程中剪力墙间距控制在30m以内；工程中出现平面形状凹凸较明显时，采取在凸部分的端部附近设剪力墙的方案；通常设计时将横、纵向剪力墙以T形、L形等形式组合，这样的设计可使横强（纵墙）作为纵墙（横强）的翼缘，当剪力墙受弹塑性载荷作用阶段，由于翼缘的作用可以增加结构的延性；设计时将竖井，如楼、电梯间等与其接近的抗侧力结构尽可能结合进行布置，实现增强其空间刚度和整体性的目的；设计时过分集中布置剪力墙是不可取的，单片剪力墙底部所成承担的水平剪力不应高于结构底部剪力的2/5，以免结构的刚度中心与房屋的质量中心偏离太大、墙截面配筋过多以及不合理的基础设计，实现结构构件使用率最佳。设计中出现剪力墙墙肢截面高度明显过大的情况时，可通过施工洞或者门窗洞口形成联肢墙来改善，以保持剪力墙的抗弯曲性能；剪力墙结构设计时宜沿竖向贯通建筑物全高，避免突然中断引起刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上、下层门窗应尽量对齐，通过形成明确的连梁以实现建筑抗震目的。抗震设计时，剪力墙的结构布置宜使结构各主轴方向的刚度接近，尽量避免采用单向布墙的布置方式。
4．门洞的设置。门洞的设置，应同时兼顾结构合理性和工程造价。例如门洞尽量不设置在中柱上方和框支剪力墙转换梁的上一层墙体内，这是由于中柱上方以及框支剪力墙转换梁上一层墙体内设置门洞会大幅增加框支梁的剪力，容易损坏；较大载荷作用于结构单元中间的框支剪力墙上，设计时应将该片剪力墙连接在一起，注意中间不开洞；为了降低建筑工程造价，设计时应尽可能减小纵向翼墙宽度。
（三）提高材料在整体结构设计时的利用率
剪力墙结构中，竖向构件的受力特征主要是偏心压力与轴心压力。工程实际中，一般纵向钢筋用量与轴压比成正比，轴压比较大时，纵向钢筋用量也会随着加大，反之亦然。在剪力墙结构设计时应充分发挥钢筋混凝土具有良好抗压特性的特点，这样既可以增加使用空间，又可以有效减小构件的截面积。
三、局部构造的设计与优化
（一）柱、梁的设计与优化
主、次梁的跨度由柱间距确定，因此，设计时除了要使柱与承重墙布置满足使用要求，而且还要充分考虑梁格布置是否合理。通常情况应少设或者不设内柱，尽量使柱网尺寸大一些。工程实践表明，梁的跨度也就是柱的合理间距最好应该是主梁取5至8米，次梁取4至6米。
此外，板的跨度由次梁间距决定，同时板的厚度、材料的使用量以及次梁的数量都受次梁间距影响。从工程造价考虑，次梁间距取值应确保板厚为最小为宜。通常，次梁间距取1.6米至2.5米之间，最大不能超过2.9米。
（二）框支剪力墙的设计与优化
高层建筑中设置框支剪力墙结构是为了满足建筑的多功能以及综合用房的要求。通常高层建筑中国顶部楼层均采用普通剪力墙结构来满足住宅的要求，中间部分为办公用房，空间偏中、小。而建筑的底部通常做停车场或者商店，需要更大的空间，设计时宜加大柱网，尽量使墙体减小。对抗震要求较高的房屋，宜经过专门的试验研究方可使用框支剪力墙结构。
剪力墙6层及6层以下需重点加强，抗震等级要求相应提高，均按照一级抗震等级剪力墙的相关设计要求进行设计，墙厚度从200mm增加到250mm，同时对墙身配筋及其约束边缘构件做加强处理。而6层以上部分，按照二级抗震等级剪力墙的相关设计要求进行设计，墙厚减小至150mm到200mm之间。同时，为了减小结构的扭转变形，增加其结构的扭转刚度，设计时对角窗部位的剪力墙以及边缘构建进行了重点加强处理。
四、结语
综上所述，对于综合楼结构复杂、跨度大等特点，框-剪结构高层综合楼局部采用框支-剪力墙结构不利于应对突发性危机，如抗震。因此，在工程设计中不仅要充分考虑竖向布置与平面布置的合理性，还应依据具体情况充分考虑转换层布置的影响。本工程从概念设计与局部构造设计两方面进行优化，使整个框剪结构综合楼结构的受力更加合理，工程造价得到进一步降低。
参考文献
[1]刘铮．某综合框-剪结构加层改工程的设计与施工[J]．建筑结构，2005，（35）．
[2]杜斌，丁国平．高层框架、框剪结构中应注意的几个结构构造问题[J]．建筑科学，2007，（10）．
[3]赖东林．对某综合楼结构设计的探讨[J]．建筑与设计，2009，（3）．
[4]蒋冬荣．高层建筑框剪结构施工技术探讨[J]．四川建材，2009，（35）．
关键词：框-剪结构；高层综合楼；概念设计
建筑结构优化设计所追求的目标是在满足使用条件以及相关建筑规范基础上，使建筑的工程造价、重量、刚度等指标进一步优化，得到最優设计方案。为了实现这一目标，应首先确保整个建筑结构安全可靠，在此基础上全盘考虑整个结构中的单个构件，尽可能使单个构件之间协调配合，进而发挥最大效能。往往实现设计的最优标准是各个构件均达到其极限承载力。但是，通常情况这个标准很难达到，只能作为设计者追求的目标。
一、工程概况
广西省某框剪结构高层综合楼项目，其中地下1层，地上28层，5层为转换层，部分楼层采用框支结构，建筑总面积达47300m2，建筑高度达114.9m。地下1层高4.1米，1～6层层高6.0m，用于休闲娱乐。其中地下一层为停车场、地上1层～5层为商务办公及会议厅，6层位餐饮娱乐。7层至28层层高3.4m，为公寓房。该项目建筑场地属Ⅱ类，房屋安全等级二级，抗震设防等级7级，使用年限为50年。该综合楼地下结构长135m，设计时在地面上留出两道温度伸缩缝，这样的设计将整个结构分为三个单元，每结构单元均不得超出50m的设计范围的单元。地下室部分原则上不允许设缝。该工程采用大直径人工灌注桩做基础，桩径在φ1000至φ1500mm之间，其单桩竖向承载力的特征值为 3500kN至13000kN之间。
二、概念设计与优化
概念设计对于构建最佳结构体系至关重要。在建筑方案未确定之前，结构设计人员应该积极与建筑师进行沟通、协商。建筑应本着满足使用和美观
的要求，尽可能实现竖向布置、平面布置的规则、简单和均匀；设计时尽量避免采用错层结构、大底盘多搭结构、转换结构、连体结构等复杂建筑结构。这样的设计有助于改善结构体系的承载力和刚度，很好的避免了由于突变形成的薄弱部位，进而避免产生较大的集中塑性变形和应力分布；在可能的情况下
合理控制建筑物的总高度，避免应建筑高度超出相关规定而无形中提高结构的抗震等级的状况出现。
标准层平面图
本综合楼6层至28层，其功能主要为高层公寓，以下层为商用，设计上采用剪力墙结构。为了满足对6层以下空间范围的要求，进行工程设计时，局部采用框支剪力墙结构。
（一）结构平面布置的概念设计与优化
根据该建筑功能特点，如果按照布置剪力墙的常规方法设计，势必会导致结构的抗扭转刚度偏低；在房屋的北侧设置楼、电梯的核心筒会使结构的刚度中心与质量中心偏离。为了增强结构的扭转刚度以及减小刚度中心与质量中心的偏离，可通过则更加楼板厚度、在结构单元角部加长剪力墙的措施，构建楼板与剪力墙共同作用的小简体。
（二）建筑竖向体型的概念设计及优化
分布于转换层上、下位置的框支剪力墙体，由于竖向受力构件的类型转化引起建筑物竖向刚度上的突变，发生突发性事件，如地震，会导致转换层处形成薄弱环节而影响整栋建筑的安全性，不利于结构抗震。因此，在设计时应通过具体优化措施实现整体结构合理、安全。具体优化措施如下。
1．采用直接、简单的传力途径，使建筑结构受力明确。为了实现转换构件传力直接、简单的目标，以满足建筑使用功能的情况下，优化布置1至5层框支柱柱网。通过减少转换次数的措施，使传力途径最短。在该工程设计中，在框支剪力墙下设置截面均为1000mm×1000mm的框支柱3根，其上部剪力墙支撑在框架柱上；而在结构单元末端位置，每个短剪力墙都设置一个500×1000mm的扁形框支柱，使短剪力墙大部分截面落在扁形框支柱上，从而很好的减少转换次数。
2．优化布置转换层下部结构框支柱和剪力墙。设计时为了尽可能保证结构沿竖向刚度均匀变化，避免有过大的内收和外挑。对转换层下部结构框支柱以及剪力墙优化布置，如加设尽可能多的贯通构件；将落地剪力墙厚度从200mm增加到250mm，进而加强框支柱两侧的剪力墙；充分满足建筑造型要求的条件下，尽可能加大框支柱的截面积。
3．剪力墙的布置。高层剪力墙布置时，在满足建筑使用功能的基础上，剪力墙宜均匀、集中布置在楼梯间、电梯间、建筑物的周边附近；平面形状变化或竖向载荷较大的部位，剪力墙的间距不宜过大，本工程中剪力墙间距控制在30m以内；工程中出现平面形状凹凸较明显时，采取在凸部分的端部附近设剪力墙的方案；通常设计时将横、纵向剪力墙以T形、L形等形式组合，这样的设计可使横强（纵墙）作为纵墙（横强）的翼缘，当剪力墙受弹塑性载荷作用阶段，由于翼缘的作用可以增加结构的延性；设计时将竖井，如楼、电梯间等与其接近的抗侧力结构尽可能结合进行布置，实现增强其空间刚度和整体性的目的；设计时过分集中布置剪力墙是不可取的，单片剪力墙底部所成承担的水平剪力不应高于结构底部剪力的2/5，以免结构的刚度中心与房屋的质量中心偏离太大、墙截面配筋过多以及不合理的基础设计，实现结构构件使用率最佳。设计中出现剪力墙墙肢截面高度明显过大的情况时，可通过施工洞或者门窗洞口形成联肢墙来改善，以保持剪力墙的抗弯曲性能；剪力墙结构设计时宜沿竖向贯通建筑物全高，避免突然中断引起刚度突变；剪力墙开洞时，洞口宜上、下层门窗应尽量对齐，通过形成明确的连梁以实现建筑抗震目的。抗震设计时，剪力墙的结构布置宜使结构各主轴方向的刚度接近，尽量避免采用单向布墙的布置方式。
4．门洞的设置。门洞的设置，应同时兼顾结构合理性和工程造价。例如门洞尽量不设置在中柱上方和框支剪力墙转换梁的上一层墙体内，这是由于中柱上方以及框支剪力墙转换梁上一层墙体内设置门洞会大幅增加框支梁的剪力，容易损坏；较大载荷作用于结构单元中间的框支剪力墙上，设计时应将该片剪力墙连接在一起，注意中间不开洞；为了降低建筑工程造价，设计时应尽可能减小纵向翼墙宽度。
（三）提高材料在整体结构设计时的利用率
剪力墙结构中，竖向构件的受力特征主要是偏心压力与轴心压力。工程实际中，一般纵向钢筋用量与轴压比成正比，轴压比较大时，纵向钢筋用量也会随着加大，反之亦然。在剪力墙结构设计时应充分发挥钢筋混凝土具有良好抗压特性的特点，这样既可以增加使用空间，又可以有效减小构件的截面积。
三、局部构造的设计与优化
（一）柱、梁的设计与优化
主、次梁的跨度由柱间距确定，因此，设计时除了要使柱与承重墙布置满足使用要求，而且还要充分考虑梁格布置是否合理。通常情况应少设或者不设内柱，尽量使柱网尺寸大一些。工程实践表明，梁的跨度也就是柱的合理间距最好应该是主梁取5至8米，次梁取4至6米。
此外，板的跨度由次梁间距决定，同时板的厚度、材料的使用量以及次梁的数量都受次梁间距影响。从工程造价考虑，次梁间距取值应确保板厚为最小为宜。通常，次梁间距取1.6米至2.5米之间，最大不能超过2.9米。
（二）框支剪力墙的设计与优化
高层建筑中设置框支剪力墙结构是为了满足建筑的多功能以及综合用房的要求。通常高层建筑中国顶部楼层均采用普通剪力墙结构来满足住宅的要求，中间部分为办公用房，空间偏中、小。而建筑的底部通常做停车场或者商店，需要更大的空间，设计时宜加大柱网，尽量使墙体减小。对抗震要求较高的房屋，宜经过专门的试验研究方可使用框支剪力墙结构。
剪力墙6层及6层以下需重点加强，抗震等级要求相应提高，均按照一级抗震等级剪力墙的相关设计要求进行设计，墙厚度从200mm增加到250mm，同时对墙身配筋及其约束边缘构件做加强处理。而6层以上部分，按照二级抗震等级剪力墙的相关设计要求进行设计，墙厚减小至150mm到200mm之间。同时，为了减小结构的扭转变形，增加其结构的扭转刚度，设计时对角窗部位的剪力墙以及边缘构建进行了重点加强处理。
四、结语
综上所述，对于综合楼结构复杂、跨度大等特点，框-剪结构高层综合楼局部采用框支-剪力墙结构不利于应对突发性危机，如抗震。因此，在工程设计中不仅要充分考虑竖向布置与平面布置的合理性，还应依据具体情况充分考虑转换层布置的影响。本工程从概念设计与局部构造设计两方面进行优化，使整个框剪结构综合楼结构的受力更加合理，工程造价得到进一步降低。
参考文献
[1]刘铮．某综合框-剪结构加层改工程的设计与施工[J]．建筑结构，2005，（35）．
[2]杜斌，丁国平．高层框架、框剪结构中应注意的几个结构构造问题[J]．建筑科学，2007，（10）．
[3]赖东林．对某综合楼结构设计的探讨[J]．建筑与设计，2009，（3）．
[4]蒋冬荣．高层建筑框剪结构施工技术探讨[J]．四川建材，2009，（35）．