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框架-剪力墙结构经济性分析的某些误区

发表时间：2021/4/26 来源：《基层建设》2020年第33期作者：刘锋

[导读] 摘要：随着我国城镇化进程的稳步推进，城市中土地资源变得极为稀缺，因此越来越多的高层被建设出来，建设成本优化变得越来越迫切。

        中国建筑科学研究院有限公司北京市 100013
        摘要：随着我国城镇化进程的稳步推进，城市中土地资源变得极为稀缺，因此越来越多的高层被建设出来，建设成本优化变得越来越迫切。框剪结构作为一种高层建筑应用非常广泛的结构形式被许多人认真研究。本文在贴合实际工程的基础上对比某框剪结构的经济性来说明一些经济性评价误区。
        关键词：结构经济性；优化设计；框剪
        1.导言
        当前我国环境问题突出，新建建筑消耗了巨量的材料、能源等，同时数量庞大的老旧建筑拆解产生的建筑垃圾又面临无处堆放的问题。而结构设计的优化，不仅在建设阶段能节省材料、节约能源等，还能减少老旧建筑拆除的垃圾数量。然而对于一个工程来说很难找到最优的结构方案，一般结构设计会寻找一个可行方案，或者选择几个可行的方案进行比较，很难进行大量的结构方案对比择优。因此针对框剪结构的经济性问题就有人提出通过求最小的地震作用或者按照规范的位移限值控制结构刚度来求最优结，然而这常是数学上的最优解，而非结构工程实际的最优解。
        2.基本介绍
        震害表明，一般刚度越大的建筑物震害越轻。因为刚度越大变形越小，损坏的可能性就小。但是结构刚度是用资源堆积出来的，而且一般的建筑，结构刚度越大地震作用也越大，工程实践表明，在其他条件不变的情况下，结构刚度增加一倍，地震作用约增大20%，节点位移和层间侧移减小15%左右。可见结构刚度的增加对位移的减小作用效能比是很低的，所以一味通过增加结构刚度来控制位移会造成浪费。
        剪力墙刚度与整体刚度的比值对框剪结构内力和变形影响很大，当比值较小时，剪力墙过少，水平变形曲线呈剪弯型，结构刚度差，常不满足变形要求；当比值较大时，剪力墙过多，水平位移曲线呈弯剪型，此时刚度较大，地震作用也较大，结构延性降低。为了保证框架部分作为第二道防线的可靠性，规范规定任一层框架部分至少承担min（0.2V0，1.5Vkmax），（V0：底部总水平剪力；VKmax：各楼层框架部分地震剪力），过多的剪力墙不仅会增加自身的浪费，还会造成框架部分的浪费。
        3.以变形为控制指标
        试验表明，结构在各阶段的性能与其变形指标有较好的相关性，即结构性能与其变形指标之间可建立定量关系，但是与力之间没有很好的相关性。建筑物在地震作用下倒塌的主要原因是耗能能力和变形能力不足导致的，所以变形作为控制量可以更有效的把控结构的性能水平，美、日、欧洲均推出了相应的关于建筑性能化设计的规范、标准等。我国的钱稼茹、罗文斌、等人也进行了相关的探讨研究，提出了基于位移的抗震设计理论。用量化的位移设计指标来控制结构抗震性能的设计方法，比现行抗震设计方法中强调的概念设计更科学。
        4.分析及结论
        本文利用PKPM-SATWE软件通过建立不同的模型，对整体工程造价进行统计和分析。不变量为设防烈度、荷载水平、结构形变水平等，变量为柱截面、剪力墙截面。通过调整剪力墙厚度和框架柱截面，保持结构整体刚度基本不变、结构周期、位移、层间位移角等基本一致。因建筑物变形接近规范限值时经常导致各种问题，所以本文取建筑物变形为最大层间位移角为1/1115左右，认为相同的位移变形对应相同的抵抗水平力的能力。
        本文讨论方案平面布置如图1。地下一层，地上17层。列举模型1的部分计算结果见表1、图2、图3。在结构抗震性能基本不变的情况下，分析底层框架部分承受的倾覆力矩与总倾覆力矩的比值和经济性之间的关系。以Y向第一振型为例，分析结果如表2。当前建设完成价混凝土约1500/m3，钢筋约8000/t。以此计算，模型3的单平米造价最低。
        此前我们优化的时候经常追求最小的地震作用或者按照规范的位移限值控制，离实际工程应用较远。本文选取在方案可行的情况下对几种模型进行分析对比，结果显示较经济的方案并不是地震力最小的方案，和剪力墙刚度占比也无确定关系，提醒我们选定方案时更应结合实际情况多分析对比。

        图1 结构平面布置图

        图2   Y向静震下倾覆力矩简图     图3   结构层间位移角图
        表1        模型1结构周期及振型方向