高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

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摘 要：本文探討了在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中， 分析了選擇合理的結(jié)構(gòu)方案時(shí)應(yīng)遵循的一些基本原則， 探討了在進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的一些問(wèn)題，提出了高層建筑結(jié)構(gòu)分析以及各種體系相對(duì)應(yīng)的方法， 為提高高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)提供有效參考價(jià)值。 

關(guān)鍵詞： 城市高層建筑 結(jié)構(gòu)分析 優(yōu)化設(shè)計(jì) 研究應(yīng)用  在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,當(dāng)建筑方案產(chǎn)生后,結(jié)構(gòu)從選型和布置開(kāi)始就存在優(yōu)化與否的問(wèn)題,再加上后續(xù)每一道工序的精心設(shè)計(jì)、 準(zhǔn)確計(jì)算、 合理選用等全過(guò)程的優(yōu)化設(shè)計(jì)才能產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。 下面就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的一些途徑,談一點(diǎn)看法,以期與廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  人員共勉。  一、現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的缺陷  對(duì)于低層、 多層和高層建筑,豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基本原理都是相同的,但是,隨著高度的不斷增加,豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素,其原因有兩個(gè):其一,較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;其二,側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。 與  豎向荷載相比,側(cè)向荷載對(duì)建筑物的效應(yīng)不是線性增加的,而隨建筑高度的增高迅速增大。例如,在所有條件相同時(shí),在風(fēng)荷載作用下,建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比, 而其頂部的側(cè)向位移與高度的四次方成正比,地震的作用效應(yīng)更加明顯。在現(xiàn)代高層建筑中,問(wèn)題不僅僅是抗剪,而更重要的是整體抗彎和抵抗變形,可見(jiàn),現(xiàn)代建筑的高層結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異,存在扭轉(zhuǎn)、 共振、 水平側(cè)向位移及剪重比等問(wèn)題。  二、 城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)  2.1 水平荷載是決定因素  一般的來(lái)說(shuō)， 一方面， 樓房自重和樓面使用荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值， 僅與樓房高度的一次方成正比； 而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩， 以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比； 而另一方面，對(duì)某一定高度樓房來(lái)說(shuō)， 豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨  結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。  2.2 軸向變形同等重要  高層建筑中， 豎向荷載數(shù)值很大， 能夠在柱中引起較大的軸向變形， 從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響， 造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小， 跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大；還會(huì)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的下料長(zhǎng)度產(chǎn)生影響， 要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值，對(duì)下料長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。  2.3 側(cè)移是控制指標(biāo)  與較低樓房不同， 結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加， 水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大， 因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。  2.4 結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)  相對(duì)于較低樓房而言， 高樓結(jié)構(gòu)更柔一些， 在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力， 避免倒塌， 特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?來(lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。  三、城市高層建筑的一般結(jié)構(gòu)體系  3.1 框架一剪力墻體系  當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時(shí)，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)置較大的剪力墻來(lái)代替部分框架，便形成了框架一剪力墻體系。 在承受水平力時(shí)， 框架和剪力墻通過(guò)有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載， 剪力墻主要承受水平剪力。 框架一剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置， 增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度， 使建筑物的水平位移減小，同時(shí)框架承受的水平剪力顯著降低內(nèi)力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架～剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。  3.2 剪力墻體系  當(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)件組成時(shí)，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結(jié)構(gòu)， 其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)度和剛度都比較高，有一定的延性， 傳力直接均勻，整體性好， 抗倒塌能力強(qiáng)，是一種良好的結(jié)構(gòu)體系， 能建高度大于框架或框架一剪力墻體系。  3.3 筒體體系  凡采用筒體為抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、 簡(jiǎn)體一框架、 筒中筒、 多束筒等多種型式。 簡(jiǎn)體是一種空間受力構(gòu)件， 分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開(kāi)孔鋼筋混凝土外墻構(gòu)成的空間受力構(gòu)件。 簡(jiǎn)體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度， 各構(gòu)件受力比較合理， 抗風(fēng)、 抗震能力很強(qiáng)， 往往應(yīng)用于大跨度、 大空間或超高層建筑。  四、城市高層建筑結(jié)構(gòu)分析  4.1 高層建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定  高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件(框架、 剪力墻、 筒體等)通過(guò)水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。要完全精確地按照三維空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是十分困難的。各種實(shí)用的分析方法都需要對(duì)計(jì)算模型引入不同程度的簡(jiǎn)化。下面是常見(jiàn)的一些基本假定：  (1)彈性假定  目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法。在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下， 結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況。但是在遭受地震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)， 高層建筑結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移， 出現(xiàn)裂縫， 進(jìn)入到彈塑性工作階段。此時(shí)仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)的， 應(yīng)按彈塑性動(dòng)力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。  (2)小變形假定  小變形假定也是各種方法普遍采用的基本假定。但有不少人對(duì)幾何非線性問(wèn)題(p—△效應(yīng))進(jìn)行了一些研究。一般認(rèn)為，當(dāng)頂點(diǎn)水平位移△與建筑物高度 h 的比值△／h>1／500 時(shí)， p—△效應(yīng)的影響就不能忽視了。  (3)剛性樓板假定  許多高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無(wú)限大，而平面外的剛度則忽略不計(jì)。這一假定大大減少了結(jié)構(gòu)位移的自由度， 簡(jiǎn)化了計(jì)算方法。 并為采用空間薄壁桿件理論計(jì)算筒體結(jié)構(gòu)提供了條件。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。 但是， 對(duì)于豎向剛度有突變的結(jié)構(gòu)， 樓板剛度較小， 主要抗側(cè)力構(gòu)件間距過(guò)大或是層數(shù)較少等情況， 樓板變形的影響較大。 特別是對(duì)結(jié)構(gòu)底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當(dāng)調(diào)整來(lái)考慮這種影響。  (4)計(jì)算圖形的假定  高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形主要是三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒(méi)有考慮抗側(cè)力構(gòu)件的公共節(jié)點(diǎn)在樓面外的位移協(xié)調(diào)(豎向位移和轉(zhuǎn)角的協(xié)調(diào))，而且， 忽略抗側(cè)力構(gòu)件平面外的剛度和扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)具有明顯空間工作性能的簡(jiǎn)體結(jié)構(gòu)也是不妥當(dāng)?shù)摹?nbsp; 三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有 6 個(gè)自由度，按符拉素夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲，有 7 個(gè)自由度。  4.2 高層建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法  （1） 框架一剪力墻結(jié)構(gòu)  框架一剪力墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，大都采用連梁連續(xù)化假定。 由剪力墻與框架水平位移或轉(zhuǎn)角相等的位移協(xié)調(diào)條件，可以建立位移與外荷載之間關(guān)系的微分方程來(lái)求解。由于采用的未知量和考慮因素的不同， 各種方法解答的具體形式亦不相同。 框架一  剪力墻的機(jī)算方法， 通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架， 采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。  （2） 剪力墻結(jié)構(gòu)  剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開(kāi)洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開(kāi)口整體墻、聯(lián)肢墻、 特殊開(kāi)洞墻、 框支墻等各種類型。 不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同， 計(jì)算內(nèi)力與位移時(shí)需采用相應(yīng)的計(jì)算方法。 剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算方法是平面有限單元法。 此法較為精確，而且對(duì)各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，機(jī)時(shí)耗費(fèi)較大， 目前一般只用于特殊開(kāi)洞墻、 框支墻的過(guò)渡層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。  （3） 筒體結(jié)構(gòu)  筒體結(jié)構(gòu)的分析方法按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析，這里主要討論三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。 一種是只作幾何分布上的連續(xù)化， 以便用連續(xù)函數(shù)描述其。  ，內(nèi)力； 另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理， 將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板， 以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。 等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來(lái)分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結(jié)構(gòu)法等。  五、小結(jié)  通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)降低工程造價(jià)是控制工程投資的一個(gè)有效途徑,而正確處理技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的對(duì)立統(tǒng)一是控制投資的關(guān)鍵。不能片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約投資,而降低技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),又要反對(duì)重技術(shù)、 輕經(jīng)濟(jì),設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是滿足建筑功能的需求,實(shí)現(xiàn)建筑物適用、 安全、 美觀、 經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)造價(jià)在建筑工程中所占的比重很大, 通過(guò)精心設(shè)計(jì)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的最佳結(jié)合,也是衡量一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員專業(yè)水平和能力的主要標(biāo)準(zhǔn)。