高層建筑結構優(yōu)化設計的研究

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摘 要：本文探討了在建筑結構設計工作中， 分析了選擇合理的結構方案時應遵循的一些基本原則， 探討了在進行正確的結構計算時應注意的一些問題，提出了高層建筑結構分析以及各種體系相對應的方法， 為提高高層建筑結構分析與設計提供有效參考價值。 

關鍵詞： 城市高層建筑 結構分析 優(yōu)化設計 研究應用  在建筑結構設計中,當建筑方案產(chǎn)生后,結構從選型和布置開始就存在優(yōu)化與否的問題,再加上后續(xù)每一道工序的精心設計、 準確計算、 合理選用等全過程的優(yōu)化設計才能產(chǎn)生優(yōu)化的結構。 下面就結構設計優(yōu)化的一些途徑,談一點看法,以期與廣大結構設計  人員共勉。  一、現(xiàn)代高層建筑結構設計存在的缺陷  對于低層、 多層和高層建筑,豎向和水平向結構體系的設計基本原理都是相同的,但是,隨著高度的不斷增加,豎向結構體系成為設計的控制因素,其原因有兩個:其一,較大的垂直荷載要求有較大的柱、墻或者井筒;其二,側向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多。 與  豎向荷載相比,側向荷載對建筑物的效應不是線性增加的,而隨建筑高度的增高迅速增大。例如,在所有條件相同時,在風荷載作用下,建筑物基底的傾覆力矩近似與建筑物高度的平方成正比, 而其頂部的側向位移與高度的四次方成正比,地震的作用效應更加明顯。在現(xiàn)代高層建筑中,問題不僅僅是抗剪,而更重要的是整體抗彎和抵抗變形,可見,現(xiàn)代建筑的高層結構受力性能與低層建筑有很大的差異,存在扭轉、 共振、 水平側向位移及剪重比等問題。  二、 城市高層建筑結構設計的特點  2.1 水平荷載是決定因素  一般的來說， 一方面， 樓房自重和樓面使用荷載在豎構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； 而水平荷載對結構產(chǎn)生的傾覆力矩， 以及由此在豎構件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比； 而另一方面，對某一定高度樓房來說， 豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨  結構動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， 從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響， 造成連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小， 跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大；還會對預制構件的下料長度產(chǎn)生影響， 要求根據(jù)軸向變形計算值，對下料長度進行調整。  2.3 側移是控制指標  與較低樓房不同， 結構側移已成為高樓結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加， 水平荷載下結構的側移變形迅速增大， 因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內(nèi)。  2.4 結構延性是重要設計指標  相對于較低樓房而言， 高樓結構更柔一些， 在地震作用下的變形更大一些。為了使結構在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力， 避免倒塌， 特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧?來保證結構具有足夠的延性。  三、城市高層建筑的一般結構體系  3.1 框架一剪力墻體系  當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架一剪力墻體系。 在承受水平力時， 框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協(xié)同工作的結構體系。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。剪力墻的設置， 增大了結構的側向剛度， 使建筑物的水平位移減小，同時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  當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，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構， 其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性， 傳力直接均勻，整體性好， 抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系， 能建高度大于框架或框架一剪力墻體系。  3.3 筒體體系  凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統(tǒng)稱為筒體體系，包括單筒體、 簡體一框架、 筒中筒、 多束筒等多種型式。 簡體是一種空間受力構件， 分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。 簡體體系具有很大的剛度和強度， 各構件受力比較合理， 抗風、 抗震能力很強， 往往應用于大跨度、 大空間或超高層建筑。  四、城市高層建筑結構分析  4.1 高層建筑結構分析的基本假定  高層建筑結構是由豎向抗側力構件(框架、 剪力墻、 筒體等)通過水平樓板連接構成的大型空間結構體系。要完全精確地按照三維空間結構進行分析是十分困難的。各種實用的分析方法都需要對計算模型引入不同程度的簡化。下面是常見的一些基本假定：  (1)彈性假定  目前工程上實用的高層建筑結構分析方法均采用彈性的計算方法。在垂直荷載或一般風力作用下， 結構通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結構的實際工作狀況。但是在遭受地震或強臺風作用時， 高層建筑結構往往會產(chǎn)生較大的位移， 出現(xiàn)裂縫， 進入到彈塑性工作階段。此時仍按彈性方法計算內(nèi)力和位移時不能反映結構的真實工作狀態(tài)的， 應按彈塑性動力分析方法進行設計。  (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。但有不少人對幾何非線性問題(p—△效應)進行了一些研究。一般認為，當頂點水平位移△與建筑物高度 h 的比值△／h>1／500 時， p—△效應的影響就不能忽視了。  (3)剛性樓板假定  許多高層建筑結構的分析方法均假定樓板在自身平面內(nèi)的剛度無限大，而平面外的剛度則忽略不計。這一假定大大減少了結構位移的自由度， 簡化了計算方法。 并為采用空間薄壁桿件理論計算筒體結構提供了條件。 一般來說，對框架體系和剪力墻體系采用這一假定是完全可以的。 但是， 對于豎向剛度有突變的結構， 樓板剛度較小， 主要抗側力構件間距過大或是層數(shù)較少等情況， 樓板變形的影響較大。 特別是對結構底部和頂部各層內(nèi)力和位移的影響更為明顯。可將這些樓層的剪力作適當調整來考慮這種影響。  (4)計算圖形的假定  高層建筑結構體系整體分析采用的計算圖形主要是三維空間分析。二維協(xié)同分析并沒有考慮抗側力構件的公共節(jié)點在樓面外的位移協(xié)調(豎向位移和轉角的協(xié)調)，而且， 忽略抗側力構件平面外的剛度和扭轉剛度對具有明顯空間工作性能的簡體結構也是不妥當?shù)摹?nbsp; 三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點有 6 個自由度，按符拉素夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點還應考慮截面翹曲，有 7 個自由度。  4.2 高層建筑結構靜力分析方法  （1） 框架一剪力墻結構  框架一剪力墻結構內(nèi)力與位移計算的方法很多，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角相等的位移協(xié)調條件，可以建立位移與外荷載之間關系的微分方程來求解。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  剪力墻的機算方法， 通常是將結構轉化為等效壁式框架， 采用桿系結構矩陣位移法求解。  （2） 剪力墻結構  剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。單片剪力墻按受力特性的不同可分為單肢墻、小開口整體墻、聯(lián)肢墻、 特殊開洞墻、 框支墻等各種類型。 不同類型的剪力墻，其截面應力分布也不同， 計算內(nèi)力與位移時需采用相應的計算方法。 剪力墻結構的機算方法是平面有限單元法。 此法較為精確，而且對各類剪力墻都能適用。但因其自由度較多，機時耗費較大， 目前一般只用于特殊開洞墻、 框支墻的過渡層等應力分布復雜的情況。  （3） 筒體結構  筒體結構的分析方法按照對計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)化方法是將結構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，以便應用適合桿系結構的方法來分析。這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結構法等。  五、小結  通過結構優(yōu)化設計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑,而正確處理技術與經(jīng)濟的對立統(tǒng)一是控制投資的關鍵。不能片面強調節(jié)約投資,而降低技術和質量標準,又要反對重技術、 輕經(jīng)濟,設計保守浪費的現(xiàn)象。建筑結構設計的首要任務是滿足建筑功能的需求,實現(xiàn)建筑物適用、 安全、 美觀、 經(jīng)濟的目標。結構造價在建筑工程中所占的比重很大, 通過精心設計所帶來的經(jīng)濟效益是十分可觀的。實現(xiàn)安全與經(jīng)濟的最佳結合,也是衡量一個結構設計人員專業(yè)水平和能力的主要標準。