基于綠色建筑的框-剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

(西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 陜西 西安 710054)

引言

框-剪結(jié)構(gòu)體系在高層建筑中應(yīng)用比較普遍,然而在框-剪結(jié)構(gòu)中,剪力墻的數(shù)量及布置、剪力墻的厚度、墻柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)等集中體現(xiàn)了整個(gè)框-剪結(jié)構(gòu)的抗震性能、經(jīng)濟(jì)性能和綠色環(huán)保性能。因此,對(duì)框-剪結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要?；诰G色建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]不僅可以使結(jié)構(gòu)受力更加合理還能大幅降低結(jié)構(gòu)體系CO2排放。

過對(duì)框-剪結(jié)構(gòu)自身的受力及變形特點(diǎn)及框架與剪力墻的協(xié)同工作原理的分析，結(jié)合具體的工程實(shí)例，研究剪力墻數(shù)量和布置、剪力墻的厚度、墻柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)等對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和碳排量的影響，對(duì)框-剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在滿足結(jié)構(gòu)抗震[2]等性能的前提下，碳排量盡可能的小。

一、框-剪結(jié)構(gòu)的布置

框-剪結(jié)構(gòu)中剪力墻布置[3]應(yīng)按“均勻、分散、對(duì)稱、周邊”的基本原則考慮，盡可能做到：1.為使結(jié)構(gòu)中的剪力墻充分發(fā)揮抗扭作用，框-剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻宜均勻布置在結(jié)構(gòu)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(qiáng)。3.為增大框-剪結(jié)構(gòu)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(dān)水平力產(chǎn)生的剪力不宜超過結(jié)構(gòu)底部總剪力的30%。5.當(dāng)剪力墻有洞口時(shí)，洞口宜上下對(duì)齊，避免錯(cuò)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(shù)量要適量，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度過大，結(jié)構(gòu)受到的地震作用增大，這樣既不經(jīng)濟(jì)也不合理。

二、框-剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

(一)設(shè)計(jì)問題的目標(biāo)

基于綠色建筑的框剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]的主要目的是在滿足有關(guān)規(guī)范的前提下使框剪結(jié)構(gòu)的碳排量盡可能的少。所以，設(shè)計(jì)問題的目標(biāo)是使框剪結(jié)構(gòu)體系的碳排量函數(shù)f(CO2)→min。

(二)設(shè)計(jì)變量

在框剪結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻的數(shù)量及布置、墻柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、剪力墻的厚度等是決定框-剪結(jié)構(gòu)體系所受水平地震剪力大小的主要因素，同時(shí)也是決定其碳排量多少的主要因素。而在整個(gè)框-剪結(jié)構(gòu)中框架和剪力墻的側(cè)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(jié)構(gòu)體系的碳排量?？蚣芎图袅Χ叩膫?cè)向剛度比主要取決于剪力墻的數(shù)量及布置、墻柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、框架和剪力墻的結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋的類別等。因此，對(duì)框-剪結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)變量可依次為：剪力墻的數(shù)量及布置、墻柱混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、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(qiáng)度等。

(三)約束條件

設(shè)計(jì)時(shí)主要滿足的約束條件有以下幾個(gè)方面，主要有：(1)動(dòng)力特性：周期、周期比、振型；(2)變形特性：頂點(diǎn)位移、層間位移角；(3)內(nèi)力特性：軸壓比、剛重比、剪重比等。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為通過改變?cè)O(shè)計(jì)變量，使結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下，求解結(jié)構(gòu)目標(biāo)函數(shù)取最優(yōu)解。那么框-剪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型概括如下：改變框-剪結(jié)構(gòu)中剪力墻的數(shù)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(qiáng)度等級(jí)、鋼筋的強(qiáng)度等。使框-剪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系的碳排量函數(shù)f(CO2)→min。

三、結(jié)論如下

1.剪力墻數(shù)量和布置對(duì)框-剪結(jié)構(gòu)體系的抗震性能影響比較顯著，其決定了結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)框-剪結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能合理確定剪力墻的數(shù)量和位置。2.在合理的剪力墻布置下，剪力墻的厚度對(duì)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能影響較小，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，僅僅通過改變剪力墻的厚度來改善框-剪結(jié)構(gòu)的抗震性能是不合理的。3.墻柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高對(duì)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度提高對(duì)結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力特性影響較大，這可以使結(jié)構(gòu)體系有更大的富余能力抵抗結(jié)構(gòu)破壞。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過提高結(jié)構(gòu)體系的混凝土強(qiáng)度等級(jí)來改善結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)力特性。