(西安科技大學建筑與土木工程學院 陜西 西安 710054)

引言

框-剪結構體系在高層建筑中應用比較普遍,然而在框-剪結構中,剪力墻的數量及布置、剪力墻的厚度、墻柱混凝土的強度等級等集中體現了整個框-剪結構的抗震性能、經濟性能和綠色環(huán)保性能。因此,對框-剪結構體系進行合理的優(yōu)化設計非常重要?；诰G色建筑的結構優(yōu)化設計[1]不僅可以使結構受力更加合理還能大幅降低結構體系CO2排放。

過對框-剪結構自身的受力及變形特點及框架與剪力墻的協(xié)同工作原理的分析，結合具體的工程實例，研究剪力墻數量和布置、剪力墻的厚度、墻柱混凝土的強度等級等對結構體系的抗震性能和碳排量的影響，對框-剪結構進行優(yōu)化設計，使其在滿足結構抗震[2]等性能的前提下，碳排量盡可能的小。

一、框-剪結構的布置

框-剪結構中剪力墻布置[3]應按“均勻、分散、對稱、周邊”的基本原則考慮，盡可能做到：1.為使結構中的剪力墻充分發(fā)揮抗扭作用，框-剪結構中的剪力墻宜均勻布置在結構的周邊；2.宜在建筑凸出部分的端部附近布置剪力墻予以加強。3.為增大框-剪結構中剪力墻的剛度和抗扭能力，剪力墻宜縱橫向連接在一起。4.剪力墻布置宜分布均勻，剪力墻的墻肢長度不宜大于8m，每段剪力墻底部承擔水平力產生的剪力不宜超過結構底部總剪力的30%。5.當剪力墻有洞口時，洞口宜上下對齊，避免錯開；上下洞口間的高不宜小于該層層高的1/5。6.剪力墻的數量要適量，應避免結構抗側剛度過大，結構受到的地震作用增大，這樣既不經濟也不合理。

二、框-剪結構優(yōu)化設計的數學模型

(一)設計問題的目標

基于綠色建筑的框剪結構優(yōu)化[4]的主要目的是在滿足有關規(guī)范的前提下使框剪結構的碳排量盡可能的少。所以，設計問題的目標是使框剪結構體系的碳排量函數f(CO2)→min。

(二)設計變量

在框剪結構體系中，剪力墻的數量及布置、墻柱混凝土的強度等級、剪力墻的厚度等是決定框-剪結構體系所受水平地震剪力大小的主要因素，同時也是決定其碳排量多少的主要因素。而在整個框-剪結構中框架和剪力墻的側移剛度的比值決定了它們之間水平地震力的分配，這也決定了總框架部分和總剪力墻部分的材料用量，最終影響到框-剪結構體系的碳排量?？蚣芎图袅Χ叩膫认騽偠缺戎饕Q于剪力墻的數量及布置、墻柱混凝土的強度等級、框架和剪力墻的結構尺寸、鋼筋的類別等。因此，對框-剪結構體系進行綠色優(yōu)化設計時，設計變量可依次為：剪力墻的數量及布置、墻柱混凝土的強度等級、剪力墻的厚度、框架柱的截面尺寸、框架梁的截面尺寸、鋼筋的強度等。

(三)約束條件

設計時主要滿足的約束條件有以下幾個方面，主要有：(1)動力特性：周期、周期比、振型；(2)變形特性：頂點位移、層間位移角；(3)內力特性：軸壓比、剛重比、剪重比等。

優(yōu)化設計的數學模型為通過改變設計變量，使結構在滿足約束條件下，求解結構目標函數取最優(yōu)解。那么框-剪結構優(yōu)化的數學模型概括如下：改變框-剪結構中剪力墻的數量及布置、剪力墻的厚度、框架柱的截面尺寸、框架梁的截面尺寸、混凝土的強度等級、鋼筋的強度等。使框-剪結構滿足層間位移角、剛重比、剪重比、軸壓比、周期比等約束條件下，框-剪結構體系的碳排量函數f(CO2)→min。

三、結論如下

1.剪力墻數量和布置對框-剪結構體系的抗震性能影響比較顯著，其決定了結構體系的側向剛度。在結構設計時，一定要根據框-剪結構體系的力學性能合理確定剪力墻的數量和位置。2.在合理的剪力墻布置下，剪力墻的厚度對結構體系的抗震性能影響較小，在結構設計時，僅僅通過改變剪力墻的厚度來改善框-剪結構的抗震性能是不合理的。3.墻柱混凝土強度等級的提高對結構體系的抗震性能有一定的影響，但是影響的效果并不明顯。墻柱混凝土強度提高對結構體系的內力特性影響較大，這可以使結構體系有更大的富余能力抵抗結構破壞。在結構設計時，可以通過提高結構體系的混凝土強度等級來改善結構體系的內力特性。