8度区框架结构住宅楼优化前后的比较

郭培成 （厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363105）

0 前 言

某工程为西安郊区一栋7层框架结构住宅楼，建筑总面积为2750m2，设防烈度8度（0.20g），抗震等级二级。本文通过不断的修改优化主要的抗侧力框架柱构件的数量和截面大小，达到概念设计和经济合理的目的。

框架结构由梁、柱构成，构件截面较小，因此框架结构的承载力和刚度较低，抗震性能相对较差。本文从结构优化前后的周期、周期比、层间位移角、位移比、轴压比、刚度比、层间受剪承载力、材料用量等方面进行了系统的比较。

1 结构布置介绍

结构布置方案1如图1所示，本结构为对称结构，关于⑨轴线对称。

图1 结构布置图

结构布置方案2是在图1的基础上删掉⑧、⑩轴线。两种方案的框架柱数量的比较：方案1为43根框架柱；方案2为37根框架柱。各个方案的框架柱数量在发生变化，但各个方案框架柱的截面大小在各层相同的位置都保持相同，即各个框架柱的刚度大小没发生变化，但整体的刚度会发生变化。为了使X、Y方向刚度接近，采用矩形柱代替方柱。

2 PKPM软件功能

2.1 建模方面

PKPM主界面，项目清晰，操作方便。采用对话框方式对构件定义、布置、修改、删除、查询；通过抬高上节点标高，按斜率成批输入斜梁或坡屋顶功能，使得结构和真实的建筑物吻合，受力更加真实；楼板自重电脑可以自动计算，梁、柱间荷载可以直接输入，代替了填充墙，由于填充墙对结构刚度有贡献，可以再对结构的周期加以折减。

2.2 计算方面

SATWE软件的求解器，运算速度快速，对于大型项目计算十分有利；该软件计算采用三维空间模型，计算工况荷载考虑全面，计算结果准确。

2.3 绘图方面

和画图软件CAD或探索者可以通过接口转换，大大方便了画图，避免了在PKPM中进行画图的弊端。

3 比较相关参数的性能指标

通过PKPM2005版本软件计算，在满足梁系（框架梁和非框架梁）总数和截面大小基本上没有变化，结构楼层板厚度、楼面恒荷载和活荷载全部相同的前提下，得出各个建筑方案对应的各项指标比较如下。

3.1 周期及周期比

主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。周期比控制什么？如同位移比的控制一样，周期比侧重控制的是侧向刚度与扭转刚度之间的一种相对关系，而非其绝对大小，其目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致于出现过大（相对于侧移）的扭转效应。总而言之，周期比控制不是在要求结构足够结实，而是在要求结构承载力竖向和水平布局的更加合理性。

如果出现周期比不满足要求的情况，一般只能通过调整平面布置来改善这一状况，这种改变一般是整体性的。周期比不满足要求，说明结构的扭转刚度相对于侧移刚度较小，不宜于抗震受力。建筑结构往往在地震作用下，扭转破坏的程度远大于平动产生的破坏。总的调整原则是加强结构外圈刚度，削弱结构内部刚度。合理的结构应该是第一、二周期的平动系数大于0.85，而且越接近于1，结构抗扭效果越好；第三周期的扭转系数越接近于1越好。平动系数+扭转系数=1。

表1说明，结构布置方案3的结构布置合理性更好，抗扭效果更好，更加有利于抗震，受力比较合理。结构布置方案1的结构刚度分配极其不合理，受扭转较严重。平动系数越大经济效果和受力越好。

周期及周期比 表1

3.2 位移比和位移角

主要为控制结构平面规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。抗震规范规定，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移角，一般建筑均不宜大于该楼层平均值的1.2倍；不应大于该楼层平均值的1.5倍。位移角的大小是控制结构的经济指标，在满足承载力和使用功能的前提下，其大小越接近于规定限值就会越经济。

位移比和位移角 表2

表2说明，结构布置方案3的结构经济效果较好，平面扭转较其它方案更加规则，正好体现了概念设计尽量平面规则，这样的结构受力及经济指标效果都好。

3.3 轴压比

主要为控制结构的延性和经济指标。轴压比过小，结构不经济；轴压比过大，结构延性较差。尤其要控制角柱的轴压比，因为角柱的破坏力在地震中较为严重。

轴压比 表3

表3说明，结构布置方案3的框架柱利用率较高，且其角柱轴压比较小，延性较好。显然，方案1不够经济，方案2角柱轴压比较大，不宜于抗震。

4 结 语

该框架结构，在保证结构安全的情况下，通过不断优化框架柱的数量，从而使水平两个方向的抗侧刚度接近，动力特性接近，减少了扭转产生的危害；其次结构整体自重减少，降低了地震作用。

[1]GB50011-2001，建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[2]GB50010-2010,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.