胡杰云 裴麗敏 楊 予

(1.浙江理工大學(xué)建工學(xué)院土木系，浙江杭州 310018; 2.杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司，浙江杭州 310003)

異形柱結(jié)構(gòu)方案在協(xié)調(diào)多層住宅建筑外觀設(shè)計和內(nèi)部空間利用上具有一定優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。因布置方案選擇上具有多樣性，其優(yōu)化設(shè)計理論得到了越來越多的關(guān)注。例如:文獻(xiàn)［1］對異形柱結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能進(jìn)行了分析，闡述了優(yōu)化措施和節(jié)點構(gòu)造措施;文獻(xiàn)［2］～［4］則從豎向構(gòu)件的平面布置的研究中得出結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，不足之處是忽略了梁板柱之間的相互影響，而僅僅考慮了豎向構(gòu)件的布置;文獻(xiàn)［5］中建立了以抗側(cè)移剛度為目標(biāo)函數(shù)，基于連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型。但實際應(yīng)用中，因受到規(guī)范、建筑設(shè)計及模數(shù)的限制，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸和側(cè)向剛度并不能連續(xù)變化，解析方法得出的最優(yōu)解往往難以直接采用。根據(jù)上述研究現(xiàn)狀，下面要探討的是一種在工程中具有實用性和可操作性的異形柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法。

1 優(yōu)化設(shè)計方法

異形柱住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法由如下幾個步驟構(gòu)成:1)設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)。建筑或結(jié)構(gòu)功能要求在某些位置采用異形柱或剪力墻，但剪力墻過多易導(dǎo)致總造價上升，異形柱過多則易導(dǎo)致抗震能力下降，一般需在保證安全性的要求下兼顧經(jīng)濟(jì)性，可通過多方案綜合性能對比評判來解決多目標(biāo)的協(xié)調(diào)問題。2)選擇典型結(jié)構(gòu)方案。通過分析工程概況，在滿足建筑功能要求條件下，依照經(jīng)驗選擇幾種可行的異形柱結(jié)構(gòu)布置結(jié)構(gòu)方案，及相應(yīng)水平構(gòu)件布置方案。3)結(jié)構(gòu)分析。利用結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件(如PKPM等)對各方案進(jìn)行分析計算，得到相關(guān)結(jié)果，并整理為圖表形式，以便為后續(xù)比較分析提供數(shù)據(jù)支持。4)整體抗震性能比較。通過對各個結(jié)構(gòu)方案的結(jié)構(gòu)自振周期、結(jié)構(gòu)最大位移、位移角、最大樓層剪力的比較，綜合比較評判各結(jié)構(gòu)方案的整體抗震性能，同時還須注意使各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，否則應(yīng)相應(yīng)修改方案。5)構(gòu)件受力性能比較。構(gòu)件受力性能的分析主要著眼于構(gòu)件的延性，對各結(jié)構(gòu)方案中的柱、墻、梁三種主要受力構(gòu)件進(jìn)行軸壓比、剪壓比、剪跨比等規(guī)范要求的典型指標(biāo)進(jìn)行比較分析。6)經(jīng)濟(jì)性能分析。主體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在單位體積含鋼量和混凝土用量這兩項指標(biāo)，根據(jù)這兩項指標(biāo)還可以進(jìn)一步得出結(jié)構(gòu)方案的總材料造價，為評判相對較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案提供便利。7)綜合比較評判得出結(jié)論。綜合上述分析結(jié)果進(jìn)行比較和評判，得到符合優(yōu)化目標(biāo)的較優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。

在完成整體結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化后，還可多次重復(fù)上述步驟進(jìn)行細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和選擇。

2 優(yōu)化設(shè)計實例

作為實例，利用上述方法對某7層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。該建筑總面積3 850.98 m2，屋面板頂面標(biāo)高19.6 m，采用輕質(zhì)填充墻和隔墻，工程所在地抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.10g，地震分組第一組，場地類別Ⅱ類。

2.1 設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)

在滿足建筑功能要求和相關(guān)規(guī)范的條件下，綜合考慮評判結(jié)構(gòu)整體抗震性能、構(gòu)件延性和經(jīng)濟(jì)性，最終獲得相對較優(yōu)的方案。

2.2 選擇典型結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)建筑方案外觀和內(nèi)部空間隔斷的要求，選擇五個典型結(jié)構(gòu)布置方案作為對比，如圖1所示，具體說明如下:

方案1為矩形柱框架結(jié)構(gòu)，該形式具有傳力明確，施工方便等優(yōu)勢，柱網(wǎng)布置尺寸也很簡單規(guī)律。方案2為異形柱框架結(jié)構(gòu)，異形柱中的較長肢布置在Y(沿1軸)方向，考慮到異形柱性能特點，在一些受力復(fù)雜區(qū)域布置了矩形柱。

方案3，4，5均為異形柱框剪結(jié)構(gòu)，但細(xì)節(jié)設(shè)計上有所不同。方案3在建筑外墻以及轉(zhuǎn)角凸出部分，多布置剪力墻。墻體較長墻肢多布置在Y方向。方案4在多處建筑轉(zhuǎn)角處、梁跨度較大處布置了斷肢剪力墻，墻體的較長墻肢多布置在Y軸方向。但在樓梯間則布置了一道沿X(沿A軸)方向較長的剪力墻，以提高X方向剛度。方案5改善了方案2中一些受力復(fù)雜的建筑轉(zhuǎn)角外凸處的異形柱為剪力墻，且簡化了梁的布置(板做相應(yīng)調(diào)整)。

2.3 結(jié)構(gòu)分析

由于涉及框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的分析計算，為保證對比的一致性，諸方案均采用PKPM多層及高層建筑結(jié)構(gòu)分析系列軟件中的SATWE模塊進(jìn)行分析計算。

2.4 整體抗震性能比較

自振周期是衡量地震作用，結(jié)構(gòu)體系剛度以及抗力大小的一個指標(biāo)，取前3階振型進(jìn)行比較，各方案計算結(jié)果見表1。

從表1可見，方案1～方案4結(jié)構(gòu)剛度依次遞增，方案5為在方案2的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)較薄弱處。比較可見框剪結(jié)構(gòu)方案的剛度明顯高于框架結(jié)構(gòu)，而方案3的X與Y方向的自振周期非常接近，二者的平動系數(shù)清晰明確，說明其結(jié)構(gòu)平面內(nèi)質(zhì)心與剛心重合較好，有利于抗震。這與異形柱框—剪結(jié)構(gòu)方案中，剛度較大的長墻集中對稱布置在結(jié)構(gòu)兩端和中間，且兩個方向的剪力墻布置較均勻有關(guān)。

圖2和圖3給出了各方案隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。

圖1 五個典型結(jié)構(gòu)布置方案

由圖2，圖3可見，五種方案中3，4，5結(jié)構(gòu)方案位移明顯要小，并且層間位移上下均勻連續(xù)，沒有明顯的薄弱層;方案2結(jié)構(gòu)位移小于方案1，且位移角與方案3接近;方案1位移曲線呈剪切型，曲線底部發(fā)生突變，樓層薄弱部位明顯，抗震不利;方案2最大的問題是X，Y方向上的剛度差異較大，使得X，Y方向上的層間位移差異也很大。綜合起來方案3，4，5的抗震性能較好。

2.5 構(gòu)件受力性能比較

考慮到實用性，從延性角度來分析墻、柱、梁三種構(gòu)件的受力狀況較合適。對于柱、墻考慮軸壓比、剪重比與剪跨比等指標(biāo)的對比;對于梁，由于構(gòu)件延性基本由構(gòu)造控制，僅進(jìn)行其剪壓比指標(biāo)的對比。限于篇幅，此處僅列出部分具有代表性梁的對比結(jié)果，見表2。

從表2可見，框架—剪力墻的剪壓比較大，這是由于這幾根梁在方案中都有一端或兩端與剪力墻相連，承受更大的剪力的緣故。比較1，2兩方案的梁剪壓比，方案3的剪壓比較大，這是該形式梁的跨高比較大的緣故。方案3，4的剪跨比都較大，其中方案3即矩形柱框架剪力墻方案的剪壓比最大。由上述比較結(jié)果可得:方案5＞方案2＞方案1＞方案4＞方案3。

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

圖2 最大樓層位移曲線比較圖

圖3 最大層間位移角曲線比較圖

表2 梁剪壓比

2.6 經(jīng)濟(jì)性分析

按市場調(diào)查，可在同等條件下估算各結(jié)構(gòu)方案樓板、梁、柱、剪力墻所需總材料費及單位面積材料費，列于表3中。

表3 材料費統(tǒng)計表 萬元

2.7 綜合評判

通過抗震性能和造價指標(biāo)的綜合評判，可以確定方案5為最優(yōu)方案，理由是:

1)方案5可通過墻面裝飾如抹灰厚度等工程方式調(diào)整差距，建筑整體上較美觀;2)其柱網(wǎng)布置跨度較大，可簡化梁的布置，傳力更簡潔合理，在抗震性能方面有更好的表現(xiàn);3)內(nèi)力分析結(jié)果表明整體抗震性能良好，構(gòu)件延性優(yōu)于其他方案;4)經(jīng)濟(jì)性上，異形柱框架結(jié)構(gòu)方案的造價僅高于方案1矩形柱方案，性價比最高。

3 結(jié)語

該優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)點是可操作性好，還可采用先整體方案后細(xì)部結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)行多層次優(yōu)化。由實例分析可知，該方法采用量化分析手段顯然比單純依靠經(jīng)驗和感覺更為可靠準(zhǔn)確，影響因素的考慮更充分。不足之處是要求設(shè)計人員具有一定的設(shè)計經(jīng)驗?zāi)懿贾贸雠c建筑方案協(xié)調(diào)的較優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，且計算工作量偏大。今后可以考慮利用數(shù)據(jù)庫的方式批量生成多個可能結(jié)構(gòu)方案的相關(guān)參數(shù)，并導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析軟件中進(jìn)行計算，最后按該方法的原理編制相關(guān)程序自動生成性能圖表曲線來簡化分析比較過程。

［1］ 楊紀(jì)紅.有抗震要求的多層住宅異形柱框架結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化措施分析探討［J］.中外建筑，2010(4)：122-123.

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