8度區(qū)框架結(jié)構(gòu)住宅樓優(yōu)化前后的比較

郭培成 （廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 漳州 363105）

0 前 言

某工程為西安郊區(qū)一棟7層框架結(jié)構(gòu)住宅樓，建筑總面積為2750m2，設(shè)防烈度8度（0.20g），抗震等級(jí)二級(jí)。本文通過不斷的修改優(yōu)化主要的抗側(cè)力框架柱構(gòu)件的數(shù)量和截面大小，達(dá)到概念設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)合理的目的。

框架結(jié)構(gòu)由梁、柱構(gòu)成，構(gòu)件截面較小，因此框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度較低，抗震性能相對(duì)較差。本文從結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的周期、周期比、層間位移角、位移比、軸壓比、剛度比、層間受剪承載力、材料用量等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的比較。

1 結(jié)構(gòu)布置介紹

結(jié)構(gòu)布置方案1如圖1所示，本結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，關(guān)于⑨軸線對(duì)稱。

圖1 結(jié)構(gòu)布置圖

結(jié)構(gòu)布置方案2是在圖1的基礎(chǔ)上刪掉⑧、⑩軸線。兩種方案的框架柱數(shù)量的比較：方案1為43根框架柱；方案2為37根框架柱。各個(gè)方案的框架柱數(shù)量在發(fā)生變化，但各個(gè)方案框架柱的截面大小在各層相同的位置都保持相同，即各個(gè)框架柱的剛度大小沒發(fā)生變化，但整體的剛度會(huì)發(fā)生變化。為了使X、Y方向剛度接近，采用矩形柱代替方柱。

2 PKPM軟件功能

2.1 建模方面

PKPM主界面，項(xiàng)目清晰，操作方便。采用對(duì)話框方式對(duì)構(gòu)件定義、布置、修改、刪除、查詢；通過抬高上節(jié)點(diǎn)標(biāo)高，按斜率成批輸入斜梁或坡屋頂功能，使得結(jié)構(gòu)和真實(shí)的建筑物吻合，受力更加真實(shí)；樓板自重電腦可以自動(dòng)計(jì)算，梁、柱間荷載可以直接輸入，代替了填充墻，由于填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度有貢獻(xiàn)，可以再對(duì)結(jié)構(gòu)的周期加以折減。

2.2 計(jì)算方面

SATWE軟件的求解器，運(yùn)算速度快速，對(duì)于大型項(xiàng)目計(jì)算十分有利；該軟件計(jì)算采用三維空間模型，計(jì)算工況荷載考慮全面，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。

2.3 繪圖方面

和畫圖軟件CAD或探索者可以通過接口轉(zhuǎn)換，大大方便了畫圖，避免了在PKPM中進(jìn)行畫圖的弊端。

3 比較相關(guān)參數(shù)的性能指標(biāo)

通過PKPM2005版本軟件計(jì)算，在滿足梁系（框架梁和非框架梁）總數(shù)和截面大小基本上沒有變化，結(jié)構(gòu)樓層板厚度、樓面恒荷載和活荷載全部相同的前提下，得出各個(gè)建筑方案對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)比較如下。

3.1 周期及周期比

主要為控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。周期比控制什么？如同位移比的控制一樣，周期比側(cè)重控制的是側(cè)向剛度與扭轉(zhuǎn)剛度之間的一種相對(duì)關(guān)系，而非其絕對(duì)大小，其目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致于出現(xiàn)過大（相對(duì)于側(cè)移）的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)?？偠灾芷诒瓤刂撇皇窃谝蠼Y(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是在要求結(jié)構(gòu)承載力豎向和水平布局的更加合理性。

如果出現(xiàn)周期比不滿足要求的情況，一般只能通過調(diào)整平面布置來改善這一狀況，這種改變一般是整體性的。周期比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)于側(cè)移剛度較小，不宜于抗震受力。建筑結(jié)構(gòu)往往在地震作用下，扭轉(zhuǎn)破壞的程度遠(yuǎn)大于平動(dòng)產(chǎn)生的破壞?？偟恼{(diào)整原則是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度，削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度。合理的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是第一、二周期的平動(dòng)系數(shù)大于0.85，而且越接近于1，結(jié)構(gòu)抗扭效果越好；第三周期的扭轉(zhuǎn)系數(shù)越接近于1越好。平動(dòng)系數(shù)+扭轉(zhuǎn)系數(shù)=1。

表1說明，結(jié)構(gòu)布置方案3的結(jié)構(gòu)布置合理性更好，抗扭效果更好，更加有利于抗震，受力比較合理。結(jié)構(gòu)布置方案1的結(jié)構(gòu)剛度分配極其不合理，受扭轉(zhuǎn)較嚴(yán)重。平動(dòng)系數(shù)越大經(jīng)濟(jì)效果和受力越好。

周期及周期比 表1

3.2 位移比和位移角

主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。抗震規(guī)范規(guī)定，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移角，一般建筑均不宜大于該樓層平均值的1.2倍；不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。位移角的大小是控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在滿足承載力和使用功能的前提下，其大小越接近于規(guī)定限值就會(huì)越經(jīng)濟(jì)。

位移比和位移角 表2

表2說明，結(jié)構(gòu)布置方案3的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效果較好，平面扭轉(zhuǎn)較其它方案更加規(guī)則，正好體現(xiàn)了概念設(shè)計(jì)盡量平面規(guī)則，這樣的結(jié)構(gòu)受力及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)效果都好。

3.3 軸壓比

主要為控制結(jié)構(gòu)的延性和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。軸壓比過小，結(jié)構(gòu)不經(jīng)濟(jì)；軸壓比過大，結(jié)構(gòu)延性較差。尤其要控制角柱的軸壓比，因?yàn)榻侵钠茐牧υ诘卣鹬休^為嚴(yán)重。

軸壓比 表3

表3說明，結(jié)構(gòu)布置方案3的框架柱利用率較高，且其角柱軸壓比較小，延性較好。顯然，方案1不夠經(jīng)濟(jì)，方案2角柱軸壓比較大，不宜于抗震。

4 結(jié) 語

該框架結(jié)構(gòu)，在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下，通過不斷優(yōu)化框架柱的數(shù)量，從而使水平兩個(gè)方向的抗側(cè)剛度接近，動(dòng)力特性接近，減少了扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的危害；其次結(jié)構(gòu)整體自重減少，降低了地震作用。

[1]GB50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[2]GB50010-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.