某办公楼改变结构形式优化过程分析

某办公楼改变结构形式优化过程分析

韩东晓 1 周胤 2 邱冬宇 1

1. 上海同丰工程咨询有限公司 上海 200444

2.上海寰辰工程咨询有限公司 上海 201100

摘要：以某办公楼的设计改变结构体系为例，对结构扭转变形的原理进行了分析，并将计算公式与规范结合，对影响结构扭转的计算参数进行了讨论，制定了本项目结构优化的措施，使得结构安全可靠，经济合理。

关键词：框架结构 剪力墙 扭转 经济性

1 项目概况

项目位于上海市嘉定区菊园新区，地下为一层地下室，地上为10层，标准层高4.5m，总高度为48.0m，使用功能为小型商业和办公。结构体系原设计采用框架结构，建筑场地类别为上海地区Ⅳ类土，抗震设防烈度为七度，设计地震分组为第二组，设计地震基本加速度值为0.10g，建筑抗震设防类别为标准设防类，框架抗震等级为二级。业主为节省造价，需进行优化设计。

图1 标准层结构平面图

2结构优化原则

由于项目原结构体系为地上十层框架结构，框架柱的柱距较大，这些因素对于工程造价的经济性不利，因此不但需要选择最适宜的结构抗力体系来节约工程造价，而且同时要增强整体结构的抗震能力。

结合项目的实际情况以及业主需求，项目的优化设计方案为采用框架-剪力墙结构对建筑物进行优化设计。由于在进行抗震设计时，根据JGJ3-2010《高层建筑混凝土结构技术规程》^[1]8.1.3条规定，在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%，建筑物能够按框架-剪力墙结构进行设计，这样建筑物的框架部分抗震等级可以由二级降为三级，剪力墙部分的抗震等级按规范可取为二级。通过增设剪力墙，改变建筑物的结构形式，从源头上调整了建筑物结构构件的抗震等级，这样不但对建筑物整体结构的抗震能力进行了增强，而且对于工程在造价方面更加经济节省。

3 结构优化措施

根据对结构扭转变形和对各个参数对结构扭转变形影响，针对本项目的平面布局和优化方案，采取了以下方法对办公楼进行优化设计。

1. 通过改变建筑物的结构体系，降低了框架部分的抗震等级，能够节省混凝土和钢筋的用量。

2. 根据建筑平面的功能要求，初步将剪力墙对称布置在周边，以及电梯井周围。

3. 结构平面布置完成后，进行初算后，找出结构的刚心和质心的位置，根据结构刚度分布情况进行剪力墙位置调整，使得结构的质心和刚心尽量重合，减小结构扭转。

4. 加长和加厚周边剪力墙，提高结构抗扭刚度，进而减小结构的扭转周期。

5. 减小或减少电梯井周围剪力墙的布置，从而降低结构刚心附近的刚度，这样可以使得结构第一平动周期增大。

6. 在结构B轴和D轴处由于建筑开窗，不能设置剪力墙，可以加强周边框架梁的刚度，对结构整体形成套箍效应，增强结构抗扭刚度，减小结构扭转周期。

7. 减小框架柱截面，使得在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%。

根据以上方法与措施，本项目由框架结构改为框架-剪力墙结构的结构平面布置情况如图2所示。

图2 办公楼采用框架-剪力墙体系结构平面布置图

4 计算结果

经过采取优化措施对结构的布置进行调整后，结构计算结果如表1。

由计算结果可知，结构的自振周期较为理想，第一周期和第二周期为平动，且两周期接近，第一扭转周期T3与第一平动周期T1之比T3/T1=0.647<0.9，满足规范要求。地震作用下，X方向和Y方向最大层间位移角分别为1/846和1/1013，均小于《抗规》第5.5.1条以及《高规》第3.7.3条规定的1/800的限值，X方向和Y方向最大位移与层平均位移的比值分别为1.20和1.03，均不大于1.20，满足规范要求。在规定水平力作用下，结构底层框架部分承受的倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的百分比在X向和Y向分别为27.98%和29.15%，均大于10%但不大于50%，满足优化设计方案要求。

由以上计算结果可知，通过对剪力墙的布置调整，结构的抗扭性能较好，各项计算控制指标均能满足规范要求，且满足优化方案的设计任务。

5 两种结构形式经济对比

针对业主对工程造价的经济性要求，在对办公楼进行优化设计后，分别对采用框架结构与框架-剪力墙结构两种结构形式的材料用量进行了统计，统计结果如表2所示。

由表2可知，办公楼改变结构形式，经过进行优化设计，对平面进行合理布置后，结构的钢筋用量减少了47.9t，虽然混凝土的用量增加了344.7，但是考虑到二者的单价和数量差异较大，优化后，依然节约了结构的整体造价。

7 结论

在进行高层建筑结构设计时，扭转变形对结构的损害是很大的，因此，在进行结构设计时，不仅要从计算参数进行控制，而且要深入的理解结构的破坏原理。从原理的角度进行设计，调整结构布置，不但能够使计算结果满足相关规范的要求，而且能够使结构更加安全可靠，经济合理。

参考文献：

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[3] 徐培福, 黄吉峰, 韦承基. 高层建筑结构在地震作用下的扭转振动效应[J].建筑科学,2000,16(1):1-6.

作者简介：

韩东晓 男 ，1986年1月——，河南 汝南，工程师，上海同丰工程咨询有限公司，主要从事结构设计及改造工作，