1、高层建筑框剪结构设计探讨【摘要】近年来随着城市土地面积的大规模的开发，高层建筑越发受企业追捧，政府力推。本文将从高层建筑的设计，经济性等方面对高层建筑框剪结构设计进行分析探讨，希望对该领域的研究提供一定的借鉴意义。 【关键词】高层建筑，结构优化 中图分类号：TU208 文献标识码： A 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求得的一组截面不一定是最好的，工程结构建起
2、来后或者是重量大，或者是造价高，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：参照一估计一分析一验算一调整。也就是在参考已有工程设计实践经验的基础上提出设计方案，再在强度、刚度、稳定性各方面做必要的力学分析来进行安全校核，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，但其最终的设计目的是产品的良好性能，同时保证安全性及经济性。也就
3、是说，最优设计是在一个明确特定指标(如结构的体积最小、重量最轻、造价最省)下来说明结构的经济性与安全性。而且，结构优化设计的一个最大特点是将设计问题转化为严格的数学规划问题求解，可利用计算机连续快速作出方案比较，从数百个方案比较中，找到最优设计方案，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。伴随着高层建筑的迅猛增加，对框架一剪力墙结构的合理选型和优化布置，对于节约建设成本具有指导性意义。然而目前高层建筑混凝土结构设计规程对高层建筑的结构选型尤其是合理布置尚未做出一个明确的具体的规定，这就为高层框剪结构的优化设计提供了充足的设计理由。
4、 2. 抗震性能结构设计 （1）将剪力墙做成四周有梁柱的带边框墙。边框(明框和暗框)可阻止斜裂缝向相邻发展，还可在墙板破坏后作承重构件代替墙板承重且有一定延性。边框应具有足够的斜截面受剪承载力，以承担因墙身通裂对边框梁柱引起的附加剪力。 （2）控制每肢墙的高宽比。必要时可设结构洞口或结构竖缝使变成双肢墙或多肢墙,可控制裂缝和屈服部位出现在结构竖缝和洞口连梁处，形成耗能机构，同时使原剪力墙一分为二，刚度降低，避免发生剪切破坏和底部墙体过早屈服。 （3）剪力墙的刚性连梁，其跨高比往往仅为 1 左右。而试验表明：当连梁的跨高比为 5 时，延性和耗能很好，连梁两端相对竖向位移的延性系数都在 8 以上，
5、滞回曲线也相当饱满；当跨高比降至 1 时，延性系数则降至 3 左右，滞回曲线严重捏扰，耗能很小，最后弯剪破坏。因此，需要对它的组成和构造采取一定措施。措施之一是在 1/2 梁高的中性面上留一水平通缝，在缝的上、下两侧各埋置钢板，钢板上开有椭圆形螺栓孔，用高强螺栓把两钢板连结。在竖载、风载和小震下，高强螺栓把水平通缝分开的两部分连梁连结成整体工作，使连梁具有一定的“刚性“。在大震作用时,两钢板发生相对滑动，原来跨高比为 1 的刚性连梁将被分成两根跨高比为 2 的小梁协同工作， 试验表明, 这样可使延性系数由原来的 3 提高为 10 左右。 3. 高层框剪结构设计技术 现代城市高层建筑的结构设计中
6、多数是采用框架剪力墙结构体系,简称高层框剪结构;这种体系是由框架结构和剪力墙结构体系两部分组成的一种结构体系。由于这种结构具有较大的抗侧力刚度,同时又能为建筑的使用提供更大的平面空间,因而被广泛应用于各种不同使用功能的高层建筑中。在高层框剪结构设计中常常会忽略一些问题,导致结构方案不够细致,造成浪费现象。因此在设计中应引起重视框剪结构的受力和变形特点：框剪结构体系的受力特征。框架结构是由梁柱线性杆件组成的一种结构,在侧向力作用下,框架的受力特点相当于竖向悬臂剪切梁,其变形呈剪切型变形故其水平力按照各框架的抗侧刚度 D 比例分配。剪力墙类似于一个竖向悬臂弯曲结构,其变形呈弯曲变形，在剪力墙结构中
7、,所有抗侧力构件均有很大的抗弯曲刚度,其侧移变形都是类似的。且水平力按其等效刚度 EI 比例分配。 4. 高层建筑框剪结构设计的优化 框剪结构设计计算中最常遇到的问题，结构出现不规则情况下，结构设计人员需要对结构模型进行多次调整，方可达到规范要求的指标。主要的调整方法，自然首先是对结构整体布局尤其是剪力墙结构布置进行调整，但是，往往因为建筑要求而不得不放弃。那么设计人员只能对连梁和局部墙厚进行微调。以上工程中，我们看到头痛医头脚痛医脚的方法，是不能很好解决整体模型的计算调整工作的。以该工程为例，只对某一部分进行连梁放大，改变了整个结构的应力分配和传递，也改变了结构的规则性，造成了第一调整后的不
8、良结果。因此，必须有整体的概念，此时需要首先找出最大位移出现节点，对该节点附近进行重点考虑，并判断整个结构的规则性做整体的、判断。第二次调整的失败告诉我们只片面采取对最弱节点的局部加强调整不过是重新犯第一次调整的错误，正确的做法是，通过整体考虑，对称地对结构进行调整，从墙肢厚度到连梁刚度，并重视连梁和与墙连接的框架梁对整体结构受力的协调作用。从而有效改善墙肢应力分配不均，降低扭转不规则性，达到调整的效果。总之，框剪结构结合了两种不同的结构优势，又制约了各自缺陷，可以在工程上广泛应用。为目前体型越来越复杂的商业高层建筑提供结构设计上的可行性。结构设计应该在整体考虑下进行结构布置，计算后在整体考虑
9、概念中调整修改，不惜调整多次，最终得以很好地完成该类结构的设计计算工作。工程的调整是在建筑要求严苛情况，不得已而进行的局部微调。如建筑条件允许，可以通过对结构的整体布置优化，达到更完美更规则的调整效果。 5.剪力墙布置应注意的问题 (1)剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向或多向布置，不同方向的剪力墙宜分别联结在一起，应尽量拉通、对直，以具有较好的空间工作性能；抗震设计时，应避免仅单向有墙的结构布置形式，宜使两个方向侧向刚度接近，两个方向的自振周期宜相近。剪力墙平面布置应尽可能做到规则，避免过大的扭转效应。 (2)纵、横向剪力墙宜组成 L 形、T 形和匚形等形式，以使纵墙（横墙）可以作为横墙（纵墙
10、）的翼缘，从而提高其刚度、承载力和抗扭能力；楼、电梯间等竖井宜尽量与靠近的抗侧力结构结合布置，以增强其空间刚度和整体性 （3）剪力墙的侧向刚度及承载力均较大，为充分利用剪力墙的能力，减轻结构自重，增大结构的可利用空间，剪力墙不宜布置得太密，使结构具有适宜的侧向刚度；若侧向刚度过大，不仅加大自重，还会使地震力增大，对结构受力不利。错洞剪力墙和叠合错洞墙都是不规则开洞的剪力墙，其应力分布比较复杂，容易造成剪力墙的薄弱部位，常规计算无法获得其实际应力，构造比较复杂，因此宜避免使用错洞墙和叠合错洞墙 三、结束语 综上所述，高层建筑框剪结构设计的对建筑的安全，城市土地面积的规划具有非常重要的意义，因此在今后的设计或者研究中，应该加强重视框剪结构设计，布置合理性及结构的优化。 参考文献： 1 李国刚.关于框剪结构混凝土施工难点解决方法和预控措施的探讨J. 黑龙江科技信息. 2011(18) 2 张秀娟.框剪结构与外墙连接处渗漏防治措施J. 才智. 2009(02) 3 慕欣.框剪结构的弹塑性时程分析J. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版). 2009(04)
