建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施框架—剪力墻結(jié)構(gòu)憑借著整體性好、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中。但在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中會(huì)出現(xiàn)各種難題，在滿足功能和觀感條件下，如何做到安全經(jīng)濟(jì)合理是我們必須要考慮的問題。本文筆者結(jié)合某建筑實(shí)例，主要就建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了分析與探討，該設(shè)計(jì)結(jié)果能使結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分布更均勻、更合理。

框剪結(jié)構(gòu)是由框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)體系組成的一種結(jié)構(gòu)體系，是由延性較好的框架、抗側(cè)力剛度較大并帶有邊框的剪力墻和耗能性能良好的連梁共同組成的一種結(jié)構(gòu)體系。在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，框剪結(jié)構(gòu)由于其能為建筑使用提供較大的平面空間，又具有整體性好、抗震性能好及較大的抗側(cè)力剛度等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，特別是用于結(jié)構(gòu)平面和功能復(fù)雜的高層辦公樓、醫(yī)院病房及酒店等高層建筑。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中仍然存在著一些問題有待進(jìn)一步的解決。本文將對建筑框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施進(jìn)行了探討和思考。

1工程概況

某高層建筑工程，主樓地下1層，地面19層，裙樓高3層，主樓總建筑面積18844m2，裙樓總建筑面積8556m2，建筑平面如圖1所示。

1.1結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì)

根據(jù)國家抗震區(qū)劃圖，待設(shè)計(jì)建筑地區(qū)的基本烈度為7度，相應(yīng)地主樓結(jié)構(gòu)部分的抗震等級為二級，裙樓部分的抗震等級為三級。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應(yīng)，主樓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅考慮豎向荷載效應(yīng)，還要考慮水平地震作用及風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計(jì)使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計(jì)要求，裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)形式，主樓采用框架—剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。

本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)中，剪力墻主要承擔(dān)水平作用，框架承擔(dān)少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形，樓梯均設(shè)置在角部位置，為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力，剪力墻結(jié)合樓電梯間設(shè)在主樓結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對角位置，具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形限值，由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。

1.2建筑縫的處理設(shè)計(jì)

本建筑由主樓和裙房兩部分組成，在二者的連接部位需設(shè)置建筑縫?？紤]到主樓部分高度較大、結(jié)構(gòu)有效重量大，裙房部分高度較低，因此二者間需設(shè)置防震縫和沉降縫。對于防震縫，為避免主樓和裙房間連接部位留出較大的寬縫，給裙房屋頂防水處理帶來困難，本建筑采用“抗”的方法，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，將主樓和裙房視為一個(gè)整體進(jìn)行抗側(cè)力設(shè)計(jì)計(jì)算；對于沉降縫，結(jié)合主樓需設(shè)一層地下室的建筑要求，設(shè)計(jì)中將主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成樁基礎(chǔ)，而將裙房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成柱下條形基礎(chǔ)，通過兩類基礎(chǔ)的沉降變形計(jì)算，相應(yīng)調(diào)整和消除主樓和裙房兩部分的不均勻沉降差。施工時(shí)，在主樓和裙房連接部位預(yù)留1.5m寬后澆帶，通過施工手段局部調(diào)整高低兩部分間的沉降差。

1.3基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的場地工程地質(zhì)條件，并考慮主樓和裙房間荷載分布的不均勻性特點(diǎn)，主樓部分結(jié)合地下室的設(shè)計(jì)采用深樁筏板基礎(chǔ)，以提高主樓結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，降低主樓部分的沉降變形。

裙房部分采用柱下條形基礎(chǔ)，通過修正條形基礎(chǔ)的寬度來調(diào)整基底反力，進(jìn)一步控制裙房部分的基礎(chǔ)沉降變形，使主樓結(jié)構(gòu)和裙房結(jié)構(gòu)在各自使用荷載作用下，能產(chǎn)生基本上一致的基礎(chǔ)沉降變形量。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

鋼筋砼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一，它同時(shí)具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活，能獲得大空間，建筑立面易于處理，以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度大、整體性好、抗震能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋砼框—剪結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有雙重承載體系的非常復(fù)雜的空間受力體系，力學(xué)分析難度較大，其優(yōu)化設(shè)計(jì)就更為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。所以，盡管國內(nèi)外學(xué)者對此做過許多有益的嘗試，但框）剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還存在很多具有重大工程意義和科學(xué)意義的課題。

2.1框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個(gè)多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)，其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)，即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后，根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果，由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化，各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化，據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過程，計(jì)算結(jié)果雖不總能等價(jià)于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，但通常能給出工程實(shí)用的滿意結(jié)果。

鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟為：

（1）初始選型：根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計(jì)使用功能，分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線，并考慮施工因素，歸并框架梁、柱的類型，初選梁柱的幾何尺寸；

（2）結(jié)構(gòu)分析：按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何構(gòu)造特征，計(jì)算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載，對鋼筋砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力，根據(jù)其大小進(jìn)行分類，并確定每一類構(gòu)件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力；

（3）截面優(yōu)化設(shè)計(jì)：針對每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出優(yōu)化約束條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

（4）收斂性判斷：在工程精度意義上選取一個(gè)較小的數(shù)值，作為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)收斂性的條件，進(jìn)行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致，則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的，可以轉(zhuǎn)入下一步的可行性判斷，否則轉(zhuǎn)回第（2）步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；

（5）可行性判斷：對優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理，作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整，直到方案可用為止。2.2框—剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

框—剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面的優(yōu)化問題：一是結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策，二是框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計(jì)，三是框架——剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

高層框—剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作問題，主要是水平荷載在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的分配設(shè)計(jì)，因此剪力墻數(shù)量和位置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問題。這里，我們將框）剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)階段進(jìn)行，對不同階段的不同問題，采取不同的優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（1）第一階段：最優(yōu)設(shè)防水平Id的優(yōu)化決策

根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定，在預(yù)測地震烈度概率分析基礎(chǔ)上，用模糊綜合評判法計(jì)算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強(qiáng)度、損傷等級概率和震害損失的預(yù)估期望值E（Id），在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下，使k1C（Id）+k2k3E（Id）達(dá)到最小，求出最優(yōu)抗震設(shè)防烈度Id。

（2）第二階段：剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合，可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移，結(jié)構(gòu)延性對結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對結(jié)構(gòu)層間位移和頂點(diǎn)總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。

（3）第三階段：框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則，在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對框）剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）框）剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟：

1）分析結(jié)構(gòu)平面、立面布置特點(diǎn)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選定剪力墻抗側(cè)力構(gòu)件的布置位置及幾何厚度；

2）根據(jù)結(jié)構(gòu)使用荷載特點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸并框架結(jié)構(gòu)類型，并初步選定每一類型框架結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的幾何尺寸；

3）進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的空間內(nèi)力分析；

4）根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果，檢查結(jié)構(gòu)的層間位移及頂點(diǎn)總位移是否滿足規(guī)范要求。若滿足規(guī)范要求，則轉(zhuǎn)入第5）步進(jìn)行判斷；若不滿足規(guī)范要求，則直接返回第1）步，進(jìn)行剪力墻水平截面面積的修正；

5）剛度最優(yōu)化判斷：比較結(jié)構(gòu)實(shí)際側(cè)移值和規(guī)范限值，若︳max（δ/h）-[δ/h]︳/[δ/h]≤ε1且︳max（Δ/H）-[Δ/H]︳/[Δ/H]≤ε2，則轉(zhuǎn)入第6）步進(jìn)行計(jì)算；否則轉(zhuǎn)入第1）步，并用原剪力墻厚度乘以修正系數(shù)ζ=max{ζ1，ζ2}（ζ1=[δ/h]/max（δ/h），ζ2=[Δ/H]︳/max（Δ/H）），來修正剪力墻幾何尺寸，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；

6）分別進(jìn)行剪力墻和框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)；

7）收斂性判斷：比較優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的接近程度，若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致，則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的，可以轉(zhuǎn)入下一步進(jìn)行可行性判斷，否則將優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)回第3）步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；

8）可行性判斷：對優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理，作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整，直到方案可用為止。

3工程實(shí)例

采用三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對前述高層框-剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在正常承受災(zāi)害損失能力和投資能力較強(qiáng)時(shí)，最優(yōu)設(shè)防烈度為7.5度。后經(jīng)專家論證，并考慮到資金投入的難度，提高了權(quán)重系數(shù)k1，最優(yōu)設(shè)防水平按7度設(shè)計(jì)。圖2為主樓部分框剪結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置圖，表1所示為主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。

4結(jié)論

總之，框剪結(jié)構(gòu)融合了框架和剪力墻結(jié)構(gòu)的