框架-核心筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

董慧玲，趙云鵬（山東科技大學(xué)　土木工程與建筑學(xué)院，山東　青島　266590）

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框架-核心筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

董慧玲，趙云鵬
（山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東青島266590）

摘要：框架-核心筒結(jié)構(gòu)作為當(dāng)今高層建筑中普遍使用的結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)平面布置是否合理直接影響著建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。合理的結(jié)構(gòu)平面布置，不僅能夠滿(mǎn)足建筑物的安全要求，還能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的建設(shè)目標(biāo)。本文首先介紹了框架-核心筒結(jié)構(gòu)平面布置的研究現(xiàn)狀，而后通過(guò)對(duì)四個(gè)方案中面積參數(shù)比值和開(kāi)洞率的分析比較，提出了一些結(jié)構(gòu)平面布置的優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：框架-核心筒；結(jié)構(gòu)平面布置；優(yōu)化

0　引言

結(jié)構(gòu)平面布置是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初始環(huán)節(jié)，其合理程度不僅關(guān)系到后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算，還決定了建筑物的穩(wěn)定性和安全性。因此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)平面布置是十分必要的。結(jié)構(gòu)平面布置的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其實(shí)就是在兼顧安全和經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)常規(guī)形式的突破，這種突破是以先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法為手段，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、調(diào)整、改善與提高。通過(guò)優(yōu)化可使設(shè)計(jì)做到結(jié)構(gòu)布置更合理，減少因設(shè)計(jì)出現(xiàn)的差錯(cuò)，消除施工過(guò)程出現(xiàn)的安全隱患，設(shè)計(jì)優(yōu)化著力于建筑結(jié)構(gòu)體系的合理化和高新技術(shù)的應(yīng)用，從而帶來(lái)更多的效益。

1　框架-核心筒結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

同濟(jì)大學(xué)呂西林教授等對(duì)鋼筋混凝土核心筒進(jìn)行低周交變的反復(fù)荷載試驗(yàn)。結(jié)果認(rèn)為，墻肢軸壓比對(duì)筒體本身的承載力的影響，耗能能力的影響，破壞模式的影響和延性的影響都很大，但對(duì)連梁的開(kāi)裂和破壞影響不大。認(rèn)為在該實(shí)驗(yàn)中，鋼筋混凝土核心筒的理想耗能模式有墻體底部受彎鋼筋屈服破壞和連梁彎曲剪切破壞。

2　框架-核心筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

本工程實(shí)例為一棟高層商務(wù)寫(xiě)字樓，抗震設(shè)防6度，II類(lèi)場(chǎng)地，地下兩層，地上22層，高度82.1m，鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)。方案（見(jiàn)表1、2）主要對(duì)核心筒平面尺寸這一設(shè)計(jì)變量實(shí)行優(yōu)化。保持建筑平面面積不變，通過(guò)改變核心筒的平面尺寸，計(jì)算出各方案的核心筒面積與建筑平面面積的比值、核心筒墻體面積與核心筒平面面積的比值、外框柱面積與核心筒剪力墻面積的比值等參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，繼而得出最優(yōu)方案。

表1　截面參數(shù)

表2　面積參數(shù)及開(kāi)洞率對(duì)比

2.2結(jié)構(gòu)性能分析

結(jié)構(gòu)自振周期的大小在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)剛度的大小，自振周期越長(zhǎng)，其結(jié)構(gòu)也相對(duì)越柔，當(dāng)核心筒面積的減小和剪力墻數(shù)量的變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期也發(fā)生了相應(yīng)的變化。

上述方案中結(jié)構(gòu)的自振周期在0.655～0.986之間，其中第一方案的結(jié)構(gòu)自振周期大于0.9的限制其他方案的自振周期均小于0.85。從方案二到方案四的自振周期變化可知，剪力墻數(shù)量的增多和核心筒面積的減小對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期起到了相同的影響效果，均增大了結(jié)構(gòu)自振周期。此外，在地震作用下，X、Y兩方向的側(cè)移曲線(xiàn)和層間位移變化曲線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，這幾種方案的頂點(diǎn)位移和層間側(cè)移角均能滿(mǎn)足要求，且有較大富余。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)五種方案進(jìn)行總結(jié)分析，隨著優(yōu)化調(diào)整結(jié)構(gòu)的布置方案，得出以下結(jié)論：

（1）建筑平面形狀及核心筒布置與位置宜規(guī)則、對(duì)稱(chēng)。建筑平面的長(zhǎng)寬比不宜過(guò)大，核心筒的較小邊尺寸與相應(yīng)的建筑寬度比不宜小于0.35～0.4。

（2）相對(duì)于方案四，方案三的剪力墻數(shù)量減少，采用滿(mǎn)應(yīng)力優(yōu)化結(jié)構(gòu)，剪力墻面積的減小大幅度降低了結(jié)構(gòu)的剛度，樓層數(shù)相構(gòu)件的軸壓比增大，降低了結(jié)構(gòu)的延性。

（3）當(dāng)核心筒面積占總總建筑面積的9%時(shí)，外框架與核心筒之間的距離達(dá)到最大，抗側(cè)構(gòu)件之間的聯(lián)系減到最弱。從結(jié)構(gòu)布置方案的優(yōu)化結(jié)果可以看出，為了能夠更好地控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)于高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)建筑，其受力宜簡(jiǎn)單直接，核心筒內(nèi)布置的剪力墻不要過(guò)于復(fù)雜。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.211