概念設計在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中的應用分析

1、城市建設CONSTRUCTION1工程概況某工程項目用地共計11.25hm2，總建筑面積約為72萬m2，擬建成包括高檔公寓、SOHO公寓、普通住宅、商業(yè)、寫字樓等多種功能的大型商業(yè)綜合體，整個綜合體共分為A、B、C、D、E5個建筑組群。本工程為其中的B區(qū)，建筑面積1O萬m2，地下部分為兩層地下室，平時主要用于商業(yè)、設備用房及車庫，地下二層戰(zhàn)時為核5級人防地下室；地上部分裙房2～4層，兩棟住宅塔樓均為40層。工程結(jié)構(gòu)設計使用年限為50年，

2、建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，地基基礎設計等級為甲級?？拐鹪O防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。風荷載按lOOa重現(xiàn)期的風壓值計算，基本風壓wo=O.60kNm2，地面粗糙類別采用B類，由于塔樓高寬比4.34＞4.0，風荷載體形系數(shù)采用1.4。2基礎及地下室設計2.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況根據(jù)勘察報告，場區(qū)地貌屬山前坡洪積平原。場地內(nèi)巖土分層自上而下描述如下：第1層：雜

3、填土，第2層：細砂，第3層：粉質(zhì)粘土，第4層：強風化云母片巖，第5層：中風化云母片巖，該層未穿透。場區(qū)內(nèi)無不良地質(zhì)現(xiàn)象，無液化土層，區(qū)域穩(wěn)定性較好，適宜工程建設。場區(qū)地下水位標高0.85～3.43m(黃海高程)。地下水類型為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水。抗浮設計水位標高建議值為4.00m2，相對于0.00為0.25m。2.2基礎類型根據(jù)勘察報告，并考慮抗浮要求，裙房部分的基礎采用筏板基礎，以第3層粉質(zhì)粘土層(fak=280kPa)或

4、第4層強風化云母片巖層(fak=3OOkPa)為基礎持力層。筏板厚度為0.6m框架柱位置根據(jù)抗沖切需要設置相應尺寸的柱墩。塔樓基礎考慮過兩種方案，一是天然筏板基礎，二是大直徑人工挖孔樁基礎。通過從結(jié)構(gòu)造價、施工方便等方面綜合比較，最后采用了傳力直接的大直徑人工挖孔樁墻下承臺梁防水板基礎。挖孔樁樁長約13m，樁徑1000～1600，擴底1800—2900，樁端持力層為第5層中風化云母片巖，樁端極限端阻力標準值prq=6000kPa。2.3

5、地下室抗浮設計地下室抗浮設計水位為0.25m，需要進行抗浮設計。設計上采用抗拔錨桿（Φ150)進行抗浮，錨桿進入強風化巖不小于lOm，長度不小于14m，單根錨桿抗拔承載力特征值為360kN。2.4地下室結(jié)構(gòu)超長及主裙樓差異沉降地下室平面尺寸為206x137m，大大超過規(guī)范要求。但考慮到設縫對建筑結(jié)構(gòu)的不利影響，設計時通過采取適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)措施(采用微膨脹混凝土、設置后澆帶、加強配筋等)、建筑措施(純地下室頂板及墻加強保溫措施)及施工措施(分

6、段施工、加強養(yǎng)護、采用添加劑等)，在地下室范圍內(nèi)不設變形縫而設置收縮后澆帶。另外，為解決主裙樓之間的差異沉降問題，在主裙樓之間還設置了沉降后澆帶。收縮后澆帶要求在混凝土澆筑兩個月后可進行封閉，沉降后澆帶則需根據(jù)沉降觀測的結(jié)果進行分析后再選擇合適時機進行封閉。3上部結(jié)構(gòu)方案工程地下室部分不設伸縮縫和沉降縫，整個工程連為一體，地下室頂板設計為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。上部結(jié)構(gòu)通過設置2道抗震縫將結(jié)構(gòu)分為完全獨立的3個部分，其中左上角和右下角均為4

7、0層的2個塔樓，左下部分為2層的框架結(jié)構(gòu)。兩棟塔樓均為剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)高度119.9m，為A級高度的鋼筋混凝土高層建筑。塔樓平面外包尺寸為27.8x31.7m，高寬比HB=4.34，長寬LB=1.14，均滿足規(guī)范的有關要求。結(jié)構(gòu)方案階段，首先根據(jù)概念設計的原則進行剪力墻的平面布置，盡量控制剪力墻的墻肢長度滿足普通剪力墻的要求，并盡量布置帶有翼緣的剪力墻，以提高整個建筑物的抗震性能。二是充分利用中間交通核心形成的剪力墻內(nèi)筒的抗側(cè)力作用

8、，盡量減小外圍剪力墻的數(shù)量和尺寸。再根據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和整體性原則，對整體計算分析的結(jié)果從周期比、位移比、剛度比和層間受剪承載力之比、剛重比以及層間位移角等方面進行綜合分析和判斷，在經(jīng)過多輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，確定了塔樓的結(jié)構(gòu)方案。其中，塔樓的剪力墻厚度從底部的400厚到300到250再到上部的200厚均勻變化；混凝土強度等級也從底部的C50到C40，最后過渡到C30，并且剪力墻厚度的變化與混凝土強度等級的變化均錯開數(shù)層。優(yōu)化后的標準層結(jié)構(gòu)平面布

9、置詳見圖1。圖1標準層結(jié)構(gòu)平面圖根據(jù)本工程的特點和結(jié)構(gòu)平面布置圖，還采取了一些構(gòu)造加強措施：正常樓層板厚為h=l10，地下一層樓板由于人防采用400厚，0.00樓板作為整個工程的嵌固端厚度h=180，裙房屋面層樓板厚度加厚為h=130，塔樓屋面層樓板厚度采用h=150；內(nèi)筒左右兩側(cè)及電梯間由于樓板開大洞，板厚均加強為h=150，以傳遞水平力。4結(jié)構(gòu)整體計算分析4.1振型分解反應譜法結(jié)構(gòu)整體計算分析時采用了2個不同的計算軟件，先采用SAT

10、WE進行整體計算，再采用Etabs中文版進行驗證。地震作用計算首先采用考慮扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)振動影響的振型分解反應譜法，塔樓的部分計算結(jié)果如表1。結(jié)果表明，兩種軟件的計算差別不大，各項指標概念設計在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中的應用分析夏廣文浙江禾澤都林建筑規(guī)劃設計有限公司浙江紹興312000摘要：文章結(jié)合某工程實際，從計算結(jié)果和經(jīng)濟分析表明，從概念設計的原則出發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)整體性原則經(jīng)過多輪優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)方案，既可以保證結(jié)構(gòu)的安全適用，還可以做到經(jīng)濟合

11、理。關鍵詞：概念設計高層建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化設計建筑設計172萬方數(shù)據(jù)城市建設CONSTRUCTION均滿足規(guī)范的有關要求。表1塔樓的部分計算結(jié)果4.2彈性時程分析補充計算本工程結(jié)構(gòu)高度大于100m，抗震設防烈度為7度，需進行多遇地震下的彈性時程補充分析計算。選用1條人工波RHITG035以及2條實際地震記錄TAF2TH2TG035，采用SATWE進行彈性動力時程分析，輸入地震加速度的最大值為35cms2。結(jié)果表明：每條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)

12、底部剪力均大于振型分解反應譜法結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應譜法結(jié)果的80%，選波有效。時程分析法計算所得剪力平均值在大部分樓層小于振型分解反應譜法計算結(jié)果，在頂部個別樓層出現(xiàn)了大于振型分解反應譜法的現(xiàn)象。針對這個問題在SATWE中采用了地震力放大系數(shù)的方法進行解決，這部分樓層配筋計算據(jù)此進行。5結(jié)語工程根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案進行恰當?shù)呐浣顦?gòu)造，保證了結(jié)構(gòu)的整體性能。根據(jù)甲方的經(jīng)濟分析，本工程標準層

13、含鋼量為35kgm2。結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)設計中普遍應用概念設計原則，既可以保證結(jié)構(gòu)的安全適用，還可以做到經(jīng)濟合理。項目SATWEETABS周期，ST13.153.03T22.942.73Tt2.161.85周期比TtT10.690.61地震作用基底總剪力（kN），X向76378258基底總剪力（kN），Y向79509110最大層間位移角，X向1152511467最大層間位移角，Y向1166111936最大位移比，X向1.121.07最大位

14、移比，Y向1.121.07風荷載最大層間位移角，X向1181012254最大層間位移角，Y向1227313195多層輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)住宅是近年來我們國家快速發(fā)展的新型建筑體系，也是目前國內(nèi)住宅研究和開發(fā)的方向。但是它的設計方法，結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)特點和常用經(jīng)濟指標不為設計者所熟悉，因此多層輕鋼住宅示范樓的設計與施工是推廣這種新型體系的最好方式。本文結(jié)合目前多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展歷史以及優(yōu)勢等方面進行了介紹，并對多層輕型房屋結(jié)構(gòu)設計及應付提出了自

15、己的看法。一、輕鋼住宅在我國的發(fā)展我國輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過20多年的發(fā)展歷史，雖然起步并不晚，主要由于經(jīng)濟與技術(shù)、觀念意識、設計技術(shù)規(guī)范的原因使得多層輕鋼住宅的發(fā)展受到制約及限制，我國建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)設計的比例還不到5％。近幾年，國家加強了對鋼結(jié)構(gòu)住宅的政策指導和支持，鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)日益發(fā)展，已經(jīng)具備了發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的條件。由于采用“工廠化制造，現(xiàn)場安裝”的施工方式，大大縮短了建筑周期，而且抗震性能好，免除了燒磚燒瓦對土地的破壞。目前我國鋼結(jié)

16、構(gòu)年產(chǎn)值約為600億元，正以年均25%左右的幅度增長。中國鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)量已居于世界前列，但鋼材在建筑業(yè)的使用比例遠低于發(fā)達國家的水平。二、多層輕鋼住宅的優(yōu)勢輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的建造技術(shù)是在北美式樣木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的基礎上演變而來的，經(jīng)過百年以上的發(fā)展，已形成了物理性能優(yōu)異、空間和形體靈活、易于建造、形式多樣的成熟建造體系。過去我國大量開發(fā)的是以小開間磚混結(jié)構(gòu)為主的住宅。這種住宅體系由于使用實心粘土磚，浪費土地資源，建筑物自重大，對抗震不利。另

17、一方面，由于結(jié)構(gòu)體系自身的限制，住宅平面布局多為封閉式的小開間，不能適應不斷變化的居住模式的要求。與傳統(tǒng)住宅相比，多層輕鋼住宅具有明顯的特點與優(yōu)勢，日益受到重視。多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢有：（一）自重輕，抗震性能好。采用高效輕型薄壁型材，構(gòu)件截面特性優(yōu)良，相對承載力高，受力性能良好，整體剛度大，抗震性能好，可以大量節(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低基礎，運輸和安裝費用。因此，對地震區(qū)，地質(zhì)條件差和運輸不便的地區(qū)，其優(yōu)越性更為明顯。（二）外形美觀

18、，建筑造型簡潔，豐富，構(gòu)件截面尺寸小，凈使用面積增加。鋼材強度高，可以提供較大的柱網(wǎng)布置；當考慮樓板的組合作用，使用組合梁或扁梁時，可以增加凈高。這種開放式住宅既為建筑師提供設計的回旋余地，又為住戶提供了靈活分隔室內(nèi)空間的可能。（三）供貨迅速，安裝方便，可以比混凝土結(jié)構(gòu)至少縮短一半工期。在當前貸款利率高的金融形式下，早投產(chǎn)，早回收投資，這對于降低工程總造價，增加投資效益幅度是十分重要的。（四）干法施工，裝備化程度高，建設快速，高效，質(zhì)量

19、有保證。輕鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)和使用的過程中能源與原材料消耗低，建筑垃圾少，粉塵少，噪音低，具有很高的可重復使用性和可循環(huán)性，因此是一種綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)。三、我國輕鋼結(jié)構(gòu)住宅面臨的一些問題在輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的建筑設計理念上，我國同國外有明顯差距。目前，我國的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑設計仍然執(zhí)行現(xiàn)行的各種建筑規(guī)范，與混凝土建筑沒有本質(zhì)的區(qū)別。但其建筑理念由于使用材料的特殊性，確有與混凝土不同的地方，進而使其建筑表現(xiàn)出多種差別。（一）缺乏有針對性的鋼結(jié)構(gòu)住宅規(guī)范我國的

20、標準規(guī)范是針對幾十年來大量使用的結(jié)構(gòu)體系編制的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系此前在我國屬于技術(shù)空白所以不能滿足我國現(xiàn)行強制性規(guī)范的某些條文不足為奇。我國《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》基本上不考慮用厚度2毫米以下的鋼材制作主要承重構(gòu)件對于國外大量采用的壁厚0.8～1.6毫米的鍍鋅輕鋼龍骨承重體系我們既缺乏對其受力狀況和結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的理論分析也缺乏相關的實驗數(shù)據(jù)這就使得輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)設計在我國尋找不到有針對性的規(guī)范作為依據(jù)。這種與國內(nèi)規(guī)范不銜接的狀況