上海某住宅樓工程剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：高層結(jié)構(gòu)；異形柱；剪力墻；優(yōu)化設(shè)計(jì)
1工程概況
正在建設(shè)中的某住宅小區(qū)大樓是一棟由2個(gè)獨(dú)立單元組成的高層住宅開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，建設(shè)場(chǎng)地位于某開(kāi)發(fā)區(qū)。工程設(shè)計(jì)為地面l8層，地下1層。頂層層高2．88m，其他各層高為2．8m，建筑總面積11659.O0m2，總高度為52．6m。本建筑物抗震設(shè)防分類為丙類，本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，剪力墻抗震等級(jí)為4級(jí)，基本風(fēng)壓取值為0．35kN／m2，地面粗糙度為c類，工程所在地屬于Ⅱ類場(chǎng)地土。
2建筑要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
原結(jié)構(gòu)方案剪力墻布置不合理，造成剛度過(guò)大且不均勻，重量增加導(dǎo)致地震反應(yīng)增強(qiáng)，并使上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高。結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。
優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ。短肢剪力墻雙向布置，盡量拉通、對(duì)直。豎向布置中，力求規(guī)則均勻，避免有過(guò)大的外挑、內(nèi)收，以及樓層剛度沿豎向突變，使整個(gè)房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線，以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。根據(jù)建筑的平面布置，在房間、樓梯間、電梯間的四角采用z形、L形T形或異形的墻肢。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開(kāi)場(chǎng)地特征周期，以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振。既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，又要保證建筑物有相對(duì)合理的自振周期，做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理(優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2)。
3兩種方案的比較
3．1分析軟件介紹
SA是專門(mén)為多、高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)而研制的空間結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，適用于各種復(fù)雜體型的高層鋼筋混凝土框架、框剪、剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)等，也適用于混凝土一鋼混合結(jié)構(gòu)和高層鋼結(jié)構(gòu)。
3．1．1SATWE的計(jì)算模型
SATWE是用墻元來(lái)模擬剪力墻。SATWE中的墻元是在板殼單元的基礎(chǔ)上構(gòu)造出的一種通用墻元，它采用靜力凝聚原理將由于墻元的細(xì)分而增加的內(nèi)部自由度消去，將其剛度凝聚到邊界節(jié)點(diǎn)上，從而保證了墻元的精度和有限的出口自由度，而且墻元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有空間全部6個(gè)自由度，可以方便地與任意空間梁、柱單元連接，而無(wú)需任何附加約束，同時(shí)也降低了剪力墻的幾何描述和板殼單元?jiǎng)澐值碾y度，提高了分析效率。板殼單元是目前模擬剪力墻的最理想單元，SATWE選用這一單元并對(duì)墻元的細(xì)分和墻上開(kāi)洞作了自動(dòng)化處理。
3．1．2SA啊E在對(duì)樓板的處理上采用了四種不同的假定①剛性樓板。假定樓板平面內(nèi)無(wú)限剛，忽略樓板平面外剛度。其中“假定樓板整體平面內(nèi)無(wú)限剛”多用于常規(guī)結(jié)構(gòu)；“假定樓板分塊平面內(nèi)無(wú)限剛”適用于多塔式錯(cuò)層結(jié)構(gòu)。②彈性樓板6。“彈性樓板6”采用殼單元真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)和平面外剛度，適用于板柱結(jié)構(gòu)和板柱一抗震墻結(jié)構(gòu)。③彈性樓板3。“彈性樓板3”假定平面內(nèi)剛度無(wú)窮大，面外剛度真實(shí)計(jì)算。適用于厚板轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。④彈性膜。“彈性膜”采用殼單元真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)剛度，忽略樓板平面外剛度，適用于空曠的工業(yè)廠房和體育場(chǎng)館結(jié)構(gòu)、樓板局部開(kāi)大洞結(jié)構(gòu)、樓板平面較長(zhǎng)或者有較大的凹入以及弱連接結(jié)構(gòu)。為提高計(jì)算效率，在保證一定的分析精度的前提下，針對(duì)不同類型的工程。采用不同的樓板假定。
3．2結(jié)果分析
從構(gòu)件力學(xué)特性上來(lái)說(shuō)，短肢剪力墻的肢長(zhǎng)與肢厚比≥5，更接近于剪力墻，故計(jì)算時(shí)將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。SATWE采用的是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有Ⅵ個(gè)自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度�？梢暂^好地模擬工程中剪力墻的真實(shí)受力狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果較精確；同時(shí)，對(duì)樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則，立面也無(wú)剛度突變現(xiàn)象，但由于剛度較大的電梯井處簡(jiǎn)體有點(diǎn)偏置，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響。為了計(jì)算準(zhǔn)確，地震作用計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5％偶然偏心的影響，取了20個(gè)振型計(jì)算。
3．2．1自振周期的控制
考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的自振周期(計(jì)算時(shí)自振周期折減系數(shù)取0．95)，如表1(只列了前8個(gè))所示。從表1可得，優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T4=O．6545s，平動(dòng)為主的第一自振周期Tl-2．0836s，L=o．3141<0．9，滿足高規(guī)(JGJ3-2002)第4．3．5條的規(guī)定。
3．2．2結(jié)構(gòu)位移的控制
風(fēng)荷載、地震荷載作用下最大層間位移角f應(yīng)≤1／1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1．2’不應(yīng)大于1．5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不宜大于1．2，不應(yīng)大于1．5)見(jiàn)表2、表3。從表2、表3中可以看出結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。
3．2．3剪重比、剛重比控制
剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標(biāo)之一。地震力計(jì)算不能偏大，但也不能太小，因?yàn)槎讨袅Ρ旧淼挚沟卣鸬哪芰^差。如果短肢剪力墻分配的地震力太大，則很有可能不滿足要求。新方案X方向的最小剪重比為O．84％，Y方向的最小剪重比為0．83％，根據(jù)“抗震規(guī)范”第5．2．5條及第5．1．4條要求的x、Y向樓層最小剪重比均為0．8％-1％o剛重比是影響重力二階(p一△)效應(yīng)的主要參數(shù)，且重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線關(guān)系增加。高層建筑在風(fēng)荷載或水平地震作用下。若重力二階效應(yīng)過(guò)大則會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，故控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，則可以控制結(jié)構(gòu)不失去穩(wěn)定。新方案x方向、Y方向的剛重比均滿足“高規(guī)”第5．4．4條的規(guī)定，所以各層均滿足要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的剪重比、剛重比見(jiàn)表4。
3．2．4軸壓比控制
軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力。為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，新的“高規(guī)”和“抗震規(guī)范”對(duì)剪力墻均提出了軸壓比的計(jì)算要求。“規(guī)范”對(duì)短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。原方案底部剪力墻最大軸壓比為0．58，新方案底部剪力墻最大軸壓比為0．59，上述方案出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓tg／l,于規(guī)范規(guī)定值，即滿足要求。
3．3優(yōu)化前后工程經(jīng)濟(jì)比較
為了與工程實(shí)際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比。鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價(jià)上，暫不考慮模板及樓板等工程的造價(jià)影響，材料的單方造價(jià)混凝土為368元／m3。鋼筋為3760元／t。表5為方案的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)匯總，由表5知。方案4比原結(jié)構(gòu)在總造價(jià)上要節(jié)約19．3％。
主要材料原方案優(yōu)化方案
通過(guò)以上兩種方案的電算分析指數(shù)表明，方案二的豎向結(jié)構(gòu)體系的截面面積雖然較小，但仍可保證滿足承載力、剛度、位移的要求。顯而易見(jiàn)，優(yōu)化后的方案不僅節(jié)約了業(yè)主的投資費(fèi)用，更重要的是節(jié)約了資源。
4結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)某居民住宅樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在比原設(shè)計(jì)方案節(jié)省投資19I3％的情況下，使結(jié)構(gòu)受力更合理，整體變形能力和結(jié)構(gòu)吸能能力對(duì)抗震更為有利。此工程剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢，因而設(shè)計(jì)時(shí)在以上部位布置L型或一字型短肢墻，受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻。設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制其軸壓比<0．6，且相差不應(yīng)太懸殊，以避免墻肢應(yīng)力差異過(guò)大。高層建筑中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件，對(duì)抗震不利。多、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許連梁的剛度有所下降，但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對(duì)較小，連接各墻肢的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻問(wèn)的連梁，不應(yīng)在計(jì)算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低，應(yīng)按普通框架梁的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
從這個(gè)工程實(shí)例中，可以發(fā)現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置對(duì)工程的安全、經(jīng)濟(jì)性的影響是重大的，只有對(duì)結(jié)構(gòu)整個(gè)體系的承載能力、性能以及對(duì)結(jié)構(gòu)分體系與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互作用的關(guān)系了解透徹才能避免只依賴規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、計(jì)算程序的設(shè)計(jì)習(xí)慣，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全、合理、經(jīng)濟(jì)。
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