浅谈高层建筑框剪结构设计

2015-04-10张俊清

四川水泥 2015年2期

关键词：连梁剪力墙结构设计

张俊清

(大连理工大学土木设计研究院 116023)

浅谈高层建筑框剪结构设计

张俊清

(大连理工大学土木设计研究院 116023)

随着城市土地面积的大规模的开发，高层建筑受企业追捧。本文主要分析高层建筑的设计、经济性等方面对高层建筑框剪结构设计影响，望提供一定的借鉴意义。

高层建筑框剪结构

一、前言

如今高层建筑已经成为城市建筑的重点，近年来高层建筑框剪结构的出现引起了社会各界的广发关注，有关于高层建筑框剪结构设计的合理性，还需进一步探讨，进一步进行建筑结构优化。

二、框剪结构优化设计解析

1.传统的结构设计的必要性

传统的结构设计方法一个很大的局限在于所按照要求得到的截面并非是最佳截面，而且建设完成后的工程结构存在一些缺点，例如质量大、造价高等，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——估计——分析——验算——调整。也就是所使用的设计方案是在已有工程设计实践经验的基础之上提出来的，之后，在从强度、刚度以及稳定性等多个方面采用力学分析的方式对其进行安全校核，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，但产品的良好性能、产品所具备的的高安全性以及高经济性是其设计的主要目的。并且产品的高经济性与高安全性是从结构的体积最小、质量最轻以及产品造价最低等三个方面进行衡量的。而且，结构优化设计的一个最大特点是对设计中出现的一系列问题按照数学规划的方式对其解决，然后再利用计算机，对众多方案进行比较，并从中选出最优的设计方案，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。现阶段，随着建筑行业的快速发展，高层建筑物的数量只增不减，面对这种情况，框架—剪力墙结构的合理选择以及优化对降低造价、提高建筑质量有着重要的指导意义。然而目前在《高层建筑混凝土结构设计规程》中，对高层建筑的结构选型、合理布置等的相关规定尚未完善，存在一些不足，这就为高层框架结构的优化设计提供了充足的设计理由。

2. 抗震性能的结构设计

首先，为了有效提高高层建筑的抗震性能，可以将剪力墙设计成四周有梁柱的并且带有边框的墙。主要是因为，边框墙可以使斜裂缝向相邻墙面扩展的现象得以避免，而且当墙板遭到破坏后，还看将其作为承重构件，起到承重的作用。除此之外，设计的边框还能够对因墙身通裂对边框梁柱而产生的附加剪力起到承载的作用。

其次，对每肢墙的高宽比进行合理的控制。双肢墙或多肢墙的设计,可以使出现在结构竖缝和洞口连梁处的裂缝和屈服部位得到有效的控制，同时还能够降低其刚度，从而避免剪切破坏或者是底部墙体过早屈服现象的发生。

最后，剪力墙的刚性连梁，其跨高比一般为1。当连梁的跨高比为5时，具有较好的延性和耗能，并且连梁两端相对竖向位移的延性系数都高于8，滞回曲线的饱满度也比较高；当跨高比降至 1时，延性系数则也会随之降低，达到 3，并且滞回曲线远远偏离饱满度，最终导致弯剪遭到破坏。因此，需要对其组成和构造进行相应的改进。即在梁高的一半位置处留一水平通缝，并在缝的上、下两侧各埋置一个开有椭圆形螺栓的钢板，最后用高强螺栓将两个钢板连结在一起，从而使连梁具有一定的“刚性”功能。如果在大震的作用下,导致两钢板有相对滑动现象的发生，此时就会使刚性桥梁工作时跨高比由1变为2，并且延性系数提高了3倍多。

3. 高层框剪结构设计技术

在现阶段的高层建筑中，其结构设计大多采用高层框剪结构。该结构主要是由两部分组成，框架结构以及剪力墙结构。高层框剪结构在高层建筑结构中得到了广泛应用，主要是因为该种结构不仅具有较强的抗侧力刚度，还能为建筑的使用提供一个更大的平面空间。但是在对该结构进行设计的过程中出现的一些问题会导致结构方案存在缺陷,致使浪费现象严重。因此，在设计中应该对框剪结构的受力和变形特点引起高度的重视。高层框架结构主要是由梁柱线性杆件组成的。剪力墙和竖向悬臂弯曲结构相似,并且呈弯曲变形。在剪力墙结构中,所有抗侧力构件具有的抗弯曲刚度较大,并且侧移变形相同，其中水平力按其等效刚度EI比例进行分配。

4. 高层建筑框剪结构的设计优化

框剪结构在设计中，经常会出现结构不规则的情况此时相关设计人员需要对结构模型进行调整直至符合要求。在调整过程中，首先对剪力墙结构的布置进行调整。但是由于调整的方式与建筑要求不相符，而取消该种调整方式。在这种情况下，设计人员将对剪力墙结构布置的调整转变为对连梁和局部墙厚的微调。由此可见，头痛医头、脚痛医脚的方法对解决整体模型的计算调整工作并未达到令人满意的效果。以该工程为例，只对某一部分连梁的进行放大，这样只是使整个结构的应力分配和传递以及结构的规则性得到了改变，但是极易造成第一调整后不良结果的产生。因此，在对高层建筑框剪结构的设计优化中必须有一个整体的概念。即首先要找出最大位移出现的节点，在该节点附近对整个结构的规则性做整体性的判断。然而第二次调整的失败让我们意识到对薄弱节点的局部进行调整，只不过是重复第一次调整的错误。为了达到更好的效果，应该对其整体进行考虑，从墙肢厚度到连梁刚度以对称性的方式地对其结构进行调整和改进，同时对连梁和与墙连接的框架梁对整体结构的受力协调作用引起高度的关注。这样才能够使墙肢应力分配的不均匀性得到改善，达到良好的调整效果。总之，框剪结构在结合两种不同结构优势的基础上，有效避免了各自的缺陷，为复杂系数越来越高的商业高层建筑提供了结构设计上的可行性，从而在工程上得到了广泛的应用。综上所述，结构设计应该从整体方面对结构布置进行调整，从而更好的完成该类结构设计的相关计算工作。只有在建筑要求极为严苛，并且是不得已而进行的情况下，才可对工程设计进行局部微调。在建筑条件允许的情况下，可以对结构的整体布置不断进行优化，使其达到更完美、更规则的调整效果。

5.剪力墙布置的注意事项

一方面，剪力墙最好是沿主轴方向或其他方向双向进行布置，处于不同方向的剪力墙应分别相互连接，同时为了保证剪力墙具有良好的空间工作性能，在连接时应应尽量拉通、对直；在进行抗震设计的过程中，为了使其具有更强的抗震性能，应保证两个方向侧向刚度以及自振周期各自相相近。剪力墙平面布置应尽可能做到规则，避免过大的扭转效应。

一方面，纵、横向剪力墙最好按照L形、T形和匚形等组成形式进行组合，从而使纵墙作为横墙的一个翼缘，以达到提高刚度、承载力以及抗扭能力等方面的目的。

另一方面，剪力墙具有较大的侧向刚度及承载力，为了能够使剪力墙的能力得到充分利用，并且具有适宜的侧向刚度，剪力墙布置不宜过密，应尽量减轻结构自重，并且增大结构的可利用空间；若侧向刚度过大，不仅会增加自身的重量，还会减弱抗震能力。

此外，错洞剪力墙和叠合错洞墙都是属于不规则开洞的剪力墙，不仅有着较为复杂的应力分布和构造，而且在常规计算中无法准确获取其实际应力。因此，宜避免使用错洞墙和叠合错洞墙