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1、<p> 議高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p> 摘要:由于高層建筑有著自己獨(dú)特的特點(diǎn),同時(shí)隨著我國(guó)人民生活水平的逐步提高,對(duì)高層建筑等也提出了更高的要求。高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),可以有效降低成本,這個(gè)問題越發(fā)受到業(yè)界的關(guān)注和重視。本文結(jié)合作者多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出見解,以供專業(yè)技術(shù)人員參考。 </p><p> 關(guān)鍵
2、詞: 高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p> 中圖分類號(hào):TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào): </p><p><b> 引言 </b></p><p> 混凝土作為當(dāng)前建筑工程建設(shè)中的基礎(chǔ)材料,既存在著較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及較長(zhǎng)的安全性與耐久性等方面的優(yōu)勢(shì),同時(shí),也容易在外部環(huán)境因素與自身因素的影響下發(fā)生變形、裂縫、斷裂
3、等問題,建筑單位要想切實(shí)地使混凝土的應(yīng)用充分發(fā)揮各種優(yōu)勢(shì),就必須努力地做好對(duì)于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。就高層建筑來講,由于其層數(shù)較多、空間結(jié)構(gòu)的變化性較大,對(duì)于安全性、耐久性以及抗震性能具有特殊的要求,混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀況在更高的程度上,為建筑質(zhì)量施加直接的影響。因此,高層建筑的建設(shè)單位極其注重其中混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。 </p><p> 1、高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則 </p><p>
4、;<b> 1.1 設(shè)計(jì)原則 </b></p><p> 當(dāng)前時(shí)期,設(shè)計(jì)人員對(duì)高層建筑中的混凝土實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須遵循適用性、安全性、耐久性以及可靠性幾個(gè)方面的原則,以保證此項(xiàng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作,為該高層建筑的建設(shè)帶來質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的效果,使其結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能均達(dá)到預(yù)計(jì)要求。下面就具體地對(duì)這幾個(gè)設(shè)計(jì)原則加以分析: </p><p> 1) 適用性。高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性
5、原則,是以該建筑設(shè)計(jì)時(shí)所設(shè)定的具體使用年限為參照,保證建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠在此年限中,使自身的裂縫、變形、振動(dòng)等各項(xiàng)性能變動(dòng),始終控制在允許的限度內(nèi),使建筑在各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能的支撐下,得以為建筑用戶正常順利地提供各方面的使用功能。 </p><p> 2) 安全性。高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性原則,亦是以設(shè)計(jì)使用年限為依據(jù),使該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在預(yù)定年限范圍內(nèi),始終可以達(dá)到對(duì)內(nèi)部與外部各項(xiàng)荷載力的有效承受,即使遭遇某些偶
6、然的破壞性事故,也要能夠使自身結(jié)構(gòu)控制在整體穩(wěn)定的狀態(tài)中,避免出現(xiàn)大范圍的結(jié)構(gòu)性損害。 </p><p> 3) 耐久性。高層建筑的耐久性設(shè)計(jì)原則,是指建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在規(guī)定的使用年限內(nèi),維持足夠的結(jié)構(gòu)耐久性,比如,混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫寬度不得超出允許的范圍,且鋼筋保護(hù)層的厚度不能夠變得過于單薄,以免鋼筋在遭受外部潮濕空氣的狀況下出現(xiàn)銹蝕問題。 </p><p> 4) 可靠性??煽?/p>
7、性的設(shè)計(jì)原則,是指高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),必須在設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)期與建筑的使用年限范圍內(nèi),充分達(dá)到耐久性、安全性、穩(wěn)定性、剛度、動(dòng)力性能等各方面的性能要求,即使超出年限的基準(zhǔn)期范圍,也能夠在各項(xiàng)性能出現(xiàn)不同程度降低的基礎(chǔ)上,維持正常的使用。 </p><p><b> 2、工程實(shí)例 </b></p><p><b> 2.1工程概況 </b></
8、p><p> 某商住樓,剪力墻結(jié)構(gòu),6 度設(shè)防,修正后的基本風(fēng)壓為0.4kN/ ;地下1 層,地上32 層,嵌固端可取地下室頂板處;地下室層高為3.9m ,首層層高為7.1m ,2 層層高為3.6m ,其余各層層高均為219m ,優(yōu)化前的住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖(如圖3.1 所示)。 </p><p> 圖3. 1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖(優(yōu)化前) </p><p> 2.2
9、問題的提出和優(yōu)化方法 </p><p> 分析圖3.1 ,l/ Bmax = 7100/18900 = 0.376 > 0.35 ,規(guī)則性判斷為平面不規(guī)則類型中的凹凸不規(guī)則,同時(shí)經(jīng)初步計(jì)算,在盡可能加長(zhǎng)墻肢的情況下,即使首層墻厚取400mm ,亦無法滿足側(cè)向剛度比的要求,豎向不規(guī)則類型判斷為側(cè)向剛度不規(guī)則。顯然,本工程已有兩項(xiàng)超出規(guī)則性的要求, 需按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011 - 2010 中第3
10、.4.3 條的要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整,并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗(yàn),若不優(yōu)化平面形狀,盲目采取加強(qiáng)措施,必然要付出沉重的經(jīng)濟(jì)代價(jià),甚至?xí)?duì)“控制成本,降低造價(jià)”造成致命的打擊。由于在建筑平面的中部增加部分樓板對(duì)建筑功能的使用和立面的影響較小,經(jīng)多方協(xié)商,發(fā)展商同意修改,修改后的平面布置(如圖3.2 所示) 。但對(duì)首層商業(yè)區(qū)降低層高的建議因牽連過多,最后決定維持不變。 </p><
11、;p> 圖3. 2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖(優(yōu)化后) </p><p> (2) 分析圖3.1的剪力墻布置,核心筒位置的墻體布置似乎偏多,剛度偏大。經(jīng)建模初算:由計(jì)算可知,結(jié)構(gòu)平面布置中的核心筒處,其剪力墻數(shù)量有消減的余地。適當(dāng)消弱結(jié)構(gòu)中部的剛度,除了對(duì)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有利外,更直接的效果就是降低造價(jià)。假設(shè)所有墻厚均為200mm ,僅削去核心筒處的部分墻體(如圖3.2 所示) ,就可減少混凝土用量:0. 96 &
12、#215;(3. 9 + 7. 1 + 3. 6 + 30 ×2. 9) ≈124. 2以及扣除原有墻體內(nèi)的大量鋼筋,其經(jīng)濟(jì)性是十分可觀的。另外,本工程為高層建筑,核心筒以外的其它墻肢,其長(zhǎng)度可每隔5~7 層縮短一次,但應(yīng)檢查控制值(如位移比、軸壓比等) 是否滿足規(guī)范要求和確保墻肢長(zhǎng)度大于墻厚的8倍,避免墻體演變?yōu)槎讨袅Α?</p><p> (3) 板中受力鋼筋不同強(qiáng)度等級(jí)的使用比較。本工程大部
13、分板塊的板跨都不大,計(jì)算后發(fā)現(xiàn)基本為構(gòu)造配筋,即由最小配筋率控制,而最小配筋率與鋼筋強(qiáng)度等級(jí)直接相關(guān)。本工程標(biāo)準(zhǔn)層的梁板砼強(qiáng)度等級(jí)采用C25 ,對(duì)比如下: </p><p> 一級(jí)鋼:ρmin = max{0.2% ,0.45ft/fy} = 0.27% </p><p> 三級(jí)鋼:ρmin = max{0.2% ,0.45ft/fy} = 0.20% </p><
14、p> 目前,市面上三級(jí)鋼與一級(jí)鋼的價(jià)位相差不多,三級(jí)鋼與一級(jí)鋼的強(qiáng)度比/ = 1.714 ,當(dāng)結(jié)構(gòu)采用大板且為受力控制時(shí),三級(jí)鋼的優(yōu)越性更明顯;再者,用三級(jí)鋼還有個(gè)好處,就是支座筋相對(duì)不易被踩下去,而底筋不需要彎鉤,可減少施工工序。 </p><p> (4) 本工程1~11 層,其剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C45 ,往上約每隔5 層變化一次,直到為C30 時(shí)不再變化。分析表3.2.2 ,本工程若把墻最高
15、砼強(qiáng)度等級(jí)再適當(dāng)提高(如采用C60) ,降低軸壓比后,有部分墻肢其長(zhǎng)度可進(jìn)一步縮減。發(fā)展商出于對(duì)整個(gè)樓盤統(tǒng)一技術(shù)措施的考慮,且經(jīng)初步估算后,工程造價(jià)已在可接受范圍,故仍控制墻砼的最高強(qiáng)度等級(jí)為C45. </p><p> 3、總結(jié)優(yōu)化方法和途徑 </p><p> 3.1 形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義 </p><p> 規(guī)范指出:在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)
16、,宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則,剛度和承載力分布均勻,平面長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng),突出部分長(zhǎng)度l不宜過大(圖4.1) ;高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻,避免有過大的外挑和內(nèi)收,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小,逐漸均勻變化,不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。相信大部分的結(jié)構(gòu)工程師都曾遇過類似情況:當(dāng)一幢高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻,那么其各項(xiàng)指標(biāo)的校核驗(yàn)算會(huì)很容易滿足規(guī)范的要求,反之,則需花一番苦功才能令各項(xiàng)指標(biāo)勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求。結(jié)果可
17、能是墻柱截面尺寸大得驚人,單位面積重量嚴(yán)重超標(biāo),不僅造價(jià)上去了,而且還影響部分建筑功能的使用。筆者認(rèn)為,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要注重概念設(shè)計(jì),在建筑方案階段就應(yīng)積極介入,運(yùn)用自己的專業(yè)知識(shí)提出建議,在滿足美觀、適用的前提下,盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置簡(jiǎn)單、規(guī)則和均勻。 </p><p> 圖4. 1 建筑平面 </p><p> 3.2 剪力墻的平面布置 </p>&
18、lt;p> 主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn): </p><p> (1) 在結(jié)構(gòu)平面布置中,在滿足建筑功能的基礎(chǔ)上,剪力墻宜沿周邊均勻、相對(duì)集中布置。在建筑物的樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位宜布置剪力墻,其間距不宜過大。(2) 剪力墻結(jié)構(gòu)中,剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置,抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu),應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。(3) 剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則,剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不宜過大。(4
19、) 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意盡量減少短肢剪力墻的數(shù)量,不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。 </p><p><b> 4、結(jié)語 </b></p><p> 以上是筆者根據(jù)自己多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出的見解。優(yōu)化設(shè)計(jì),關(guān)鍵是要有整體和局部的概念,要從整體入手,落實(shí)到局部,整體和局部“兩手抓”。 </p><p>
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