當前高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

1、<p>　　當前高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計</p><p>　　摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)設計的目標是在滿足安全、適用、耐久、經(jīng)濟和施工可行的要求下，按有關(guān)設計標準的規(guī)定，通過對建筑結(jié)構(gòu)進行總體布置、技術(shù)經(jīng)濟分析、計算、構(gòu)造和制圖工作，有效降低開發(fā)商的成本，在確保建筑整體質(zhì)量達到規(guī)范標準的基礎上，使建筑的結(jié)構(gòu)設計能夠滿足客戶的諸多需求。本文根據(jù)筆者工作實踐，對高層建筑結(jié)構(gòu)類型、設計原則進行了探討，針對高層鋼筋混凝土框

2、架- 剪力墻結(jié)構(gòu), 提出了高層框- 剪結(jié)構(gòu)的三階段分部優(yōu)化設計策略, 設計結(jié)果使結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分布更均勻、設計更合理,并結(jié)合某高層建筑結(jié)構(gòu)的設計進行了實證。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu) 特點 設計 原則 要求 </p><p>　　中圖分類號： TU97 文獻標識碼： A </p><p><b>　　正文： </b></

3、p><p>　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)類型 </p><p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)體系按照結(jié)構(gòu)形式可以分為框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)因為是利用柱、梁等結(jié)構(gòu)來承重的，所以這種結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向位移相對較大，一般適用于低于50m的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)因為是靠高層建筑的墻體來承重的，所以這種結(jié)構(gòu)的整體性能相對較好，不易產(chǎn)生水平方向的變形，一般多應用于高層建筑，但是因為其在平面上的布置不夠靈活，所

4、以很少在公共建筑設計中使用。而框架、剪力墻組合結(jié)構(gòu)則是結(jié)合了兩者的優(yōu)點、改善了其中的缺點，所以被廣泛應用于高層建筑的結(jié)構(gòu)設計中。 </p><p>　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)設計原則 </p><p>　　2.1 選擇合適的基礎方案 </p><p>　　現(xiàn)在的設計一大特色就是不能因工程而破壞周邊的環(huán)境，而改變的周邊的生態(tài)環(huán)境。一切的工程圍繞環(huán)境進行設計施工，使工程與自然

5、很好的融入到一起，使得兩者和諧共存。在基礎方案的設計中，要把所有的相關(guān)因素全部的包括在內(nèi)，綜合各方面的因素，再考慮經(jīng)濟性對工程進行整體的評估，然后對方案進行正式的審核，最后施工，一切立足由可持續(xù)發(fā)展的觀念進行施工，工程的質(zhì)量一定會得以保障。 </p><p>　　2.2 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案 </p><p>　　高層建筑作為近幾年剛剛興起的一門學科，具有很復雜的結(jié)構(gòu)特點，在施工的過程中要考

6、慮的方面很多，像是供水問題、線路等各方面都是我們要考慮的。結(jié)構(gòu)設計方案中重要的有以下幾點：材料的要求、施工的環(huán)境、還要充分的考慮抗擊自然災害的能力。我們要嚴格的遵循平面和豎直的設計原則。結(jié)構(gòu)方案不僅僅是施工單位一方的事情，施工單位與使用方要達成一致，在設計方面以及今后的發(fā)展方向要進行詳細的展望，為了所選取得結(jié)構(gòu)方案更加的合理，最大限度的達到預期的目的。 </p><p>　　三、工程設計案例分析 </p&g

7、t;<p>　　某高層建筑設計使用功能為餐飲、辦公一體屬綜合性公共建筑。地下 2 層，裙樓 4 層，裙樓上南、北兩塔樓分別高 19 層(72.5m)、25 層(90.5m)。兩塔樓于 17、18、19 層連體（結(jié)構(gòu)上為兩塔樓分別懸挑梁處理）。 </p><p>　　1. 結(jié)構(gòu)承重體系設計 </p><p>　　根據(jù)國家抗震區(qū)劃圖, 待設計建筑地區(qū)的基本烈度為七度,相應地主樓結(jié)

8、構(gòu)部分的抗震等級為二級, 裙樓部分的抗震等級為三級。結(jié)構(gòu)設計中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應, 主樓部分結(jié)構(gòu)設計不僅考慮豎向荷載效應, 還要考慮水平地震作用及風荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設計要求, 裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式,主樓采用框架- 剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設計中, 剪力墻主要承擔水平作用,框架承擔少部

9、分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形,因樓梯、電梯間均設置在核心筒內(nèi),為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力,剪力墻結(jié)合樓電梯間在主樓范圍內(nèi)采取了加強處理, 具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設計的變形限值,由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。 </p><p>　　2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計策略 </p><p>　　鋼筋混凝土框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一,它同

10、時具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活,能獲得大空間,建筑立面易于處理,以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度大、整體性好、抗震能力強的優(yōu)點。在水平荷載作用下,具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框- 剪結(jié)構(gòu)是一個具有雙重承載體系的非常復雜的空間受力體系,力學分析難度較大,其優(yōu)化設計就更為復雜和難以實現(xiàn)。所以,筆者以下謹通過已有的工程設計經(jīng)驗提出步驟性的建議，不作深入的學術(shù)探討。 </p><p>　　2.1

11、 框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設計技術(shù) </p><p>　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個多余約束的超靜定結(jié)構(gòu),其荷載效應不僅與外荷載大小有關(guān), 還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設計,即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后,根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進行截面優(yōu)化設計,確定滿足荷載效應水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果,由此導致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作

12、用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化,各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應變化,據(jù)此再進行新一輪的優(yōu)化設計。因此框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設計實際上是一個迭代、漸進的尋優(yōu)過程, 計算結(jié)果雖不總能等價于整體優(yōu)化設計結(jié)果,但通常能給出工程實用的滿意結(jié)果。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設計方法的具體步驟為: </p><p>　　（1）初始選型:根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設計使用功能,分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線,并考慮

13、施工因素,歸并框架梁、柱的類型,初選梁柱的幾何尺寸; </p><p>　　（2）結(jié)構(gòu)分析:按照結(jié)構(gòu)的實際幾何構(gòu)造特征,計算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力,根據(jù)其大小進行分類,并確定每一類構(gòu)件的設計控制內(nèi)力; </p><p>　　（3）截面優(yōu)化設計:針對每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進行優(yōu)化設計, 得出優(yōu)化約束

14、條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設計結(jié)果,從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設計結(jié)構(gòu); </p><p>　?。?）收斂性判斷:在工程精度意義上選取一個較小的數(shù)值,作為檢驗結(jié)構(gòu)收斂性的條件,進行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致,則認為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的,可以轉(zhuǎn)入下一步的可行性判斷,否則轉(zhuǎn)回第②步重新進行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設計; </p><p>　　2.2 框- 剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設計策略

15、</p><p>　　框- 剪結(jié)構(gòu)的設計主要涉及 3 個方面的優(yōu)化問題:①結(jié)構(gòu)最優(yōu)設防水平的決策,②框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作,以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設計,③框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設計問題。 </p><p>　　高層框- 剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作問題,主要是水平荷載在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的分配設計, 因此剪力墻數(shù)量和位置的設計是關(guān)鍵問題。這里,我們將框-

16、剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計過程分為三個階段進行,對不同階段的不同問題,采取不同的優(yōu)化準則進行優(yōu)化設計。 </p><p>　　2.2.1 第一階段:最優(yōu)設防水平 Id的優(yōu)化決策 </p><p>　　根據(jù)地震危險性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定, 在預測地震烈度概率分析基礎上, 用模糊綜合評判法計算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強度、損傷等級概率和震害損失的預估期望值 E(Id),在滿足最大投資約束和最大損失

17、約束條件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)達到最小,求出最優(yōu)抗震設防烈度 Id。 </p><p>　　2.2.2 第二階段:剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設計 </p><p>　　剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設計主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標的最佳組合,可用力學準則進行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移, 結(jié)構(gòu)延性對結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此,可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向

18、位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設計規(guī)范對結(jié)構(gòu)層間位移和頂點總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度設計和延性設計。 </p><p>　　2.2.3 第三階段:框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計 </p><p>　　框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計準則是一個結(jié)構(gòu)準則, 在一次整體分析完成之后,可按照前述方法對框- 剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進行優(yōu)化設計。 </p><p><b>　　四

19、、結(jié)語 </b></p><p>　　總而言之，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方法多種多樣，但是不論使用哪一種方法都要建立在施工的可行性的基礎之上，施工技術(shù)必須嚴格依照設計標準，如果出現(xiàn)施工不可行的情況下，重新審視設計規(guī)范。高層建筑混凝土施工技術(shù)是科學元素和技術(shù)元素的融合和應用，它的實現(xiàn)過程必然需要建筑施工各環(huán)節(jié)基礎技術(shù)的支持和管理理論的強化。所以，設計與施工的相輔相成才是實現(xiàn)合理、科學節(jié)約成本的有效措

20、施。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 孫 凱.高層建筑結(jié)構(gòu)設計的問題及對策探討[J].價值工程，2011（06）. </p><p>　　[2] 周 敏.高層建筑結(jié)構(gòu)設計有關(guān)問題分析[J].知識經(jīng)濟，2012（08）. </p><p>　　[3] 廖 勇.高層建筑結(jié)構(gòu)設計相