高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點及優(yōu)化設計綜述

1、高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點及優(yōu)化設計綜述 高層建筑結(jié)構(gòu)設計特點及優(yōu)化設計綜述 摘要：目前我國城市建筑用地非常緊張，而且城市人口量又不斷增加，在這種情況下，高層建筑得以快速開展建設，其不僅垂直高度大，而且層數(shù)較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，這就給結(jié)構(gòu)設計人員帶來了較大的難度。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)設計過程中，需要設計人員對高層建筑的結(jié)構(gòu)設計特點進行充分的了解，這樣才能保證結(jié)構(gòu)設計的先進性、合理性、平安性和適用性，也能有效的保證結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量。本文對高層建筑結(jié)構(gòu)設計的特點進行了分析，結(jié)合工程實例，對高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計進行了探討。 關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu)設計 優(yōu)化 中圖分類號：TU318文獻標識碼： A 一、高層建

2、筑結(jié)構(gòu)設計的特點 高層建筑結(jié)構(gòu)設計與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比擬，結(jié)構(gòu)設計占有更重要的位置，結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、機電管道的設置、施工技術(shù)的要求、施工工期長短和投資造價的上下等。高層建筑結(jié)構(gòu)設計具有以下特點： 1.水平力起著決定性作用。 在以往對低層和多層的結(jié)構(gòu)設計中，通常都是以豎向荷載為代表，而對于高層建筑的結(jié)構(gòu)設計，由其水平荷載發(fā)揮著決定性的作用，豎向荷載雖然對結(jié)構(gòu)設計也具有非常重要的意義，但卻不是最為關(guān)鍵的設計因素。因為在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，豎向軸力與彎矩的數(shù)值與建筑高度的一次方成正比，而水平荷載對結(jié)構(gòu)的傾覆力及軸力，是與建筑的兩次方成正比。所以水平荷載

3、具有決定性作用。因此，我們不難得出結(jié)論，在高層建筑結(jié)構(gòu)越來越高、體積越來越大的開展趨勢下，水平荷載的因素要予以重點考慮，這是維護高層建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需要，同時也是設計高層建筑結(jié)構(gòu)的必然要求。 2.側(cè)移。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，隨著高度的不斷增加，那么會導致水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形不斷的增大，其與建筑高度的4 次方成正比，在這種情況下，結(jié)構(gòu)側(cè)移那么成為高層結(jié)構(gòu)設計中關(guān)鍵的因素。 3.軸向變形 在高層建筑復雜化的趨勢下，軸向變形的因素變得越來越重要，特別是在高層建筑高度升高的情況下，豎向的荷載會大幅度增加，進而引起高層建筑結(jié)構(gòu)中柱體會出現(xiàn)軸向形變，從而在高層建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁上出現(xiàn)彎矩的影響，最終會影

4、響到高層建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中要對軸向變形予以重視。 二、高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計案例分析 1 工程概況 某工程建筑面積為33819.0m2，地下2 層為停車庫，地上13 層為商業(yè)，430 層為住宅，頂部設有出屋面電梯機房及水箱間，采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)?？拐鹪O防烈度8 度，設計根本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第一組，建筑物場地土類別為類，根本風壓Wo=0.40kN/m2。該建筑地下室4 層剪力墻厚度為：350mm；6 層12 層剪力墻厚度為：300mm；13層21 層剪力墻厚度為：250mm；22 層屋頂剪力墻厚度為：200mm；樓、電梯間剪力墻厚均為250mm 和16

5、0mm。根底型式為樁和承臺聯(lián)合根底。采用中國建筑科學研究院PKPM 系列軟件進行上部結(jié)構(gòu)和根底的計算。 2 結(jié)構(gòu)體系選型 建筑物結(jié)構(gòu)形式的選擇對建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)可靠性、建筑的抗震性能、工程造價等具有很大影響。因而在結(jié)構(gòu)設計中體系選型顯得十分重要。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種由鋼筋混凝土墻體作為抗側(cè)力單元，同時承當豎向荷載和地震作用的一種結(jié)構(gòu)體系；它剛度大，空間整體性好，用鋼量較?。豢梢院芎玫剡m應墻體較多、房間面積不大的特點，故在高層住宅中應用極為普遍。但剪力墻結(jié)構(gòu)墻體較多，不能布置商店和公共設施等面積較大的房間。框支剪力墻結(jié)構(gòu)是一種將局部底層或局部層的剪力墻取消，代之以框架的結(jié)構(gòu)體系；其主要是為了滿足

6、在底層布置門廳、餐廳、會議室等大面積公共用房的要求，以及在住宅樓底層布置商店和公共設施的要求。但框支剪力墻結(jié)構(gòu)，底層柱的剛度小，上部剪力墻剛度大，形成上下剛度突變，在地震作用下底層柱會產(chǎn)生很大內(nèi)力及塑性變形，對結(jié)構(gòu)抗震性能極為不利；并且其轉(zhuǎn)換層的混凝土和鋼筋用量一般都很大，其工程造價很不經(jīng)濟。因此，在地震區(qū)不宜采用框支剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，可以組成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)既有框架結(jié)構(gòu)布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度和較強的抗震能力，因而廣泛地應用于高層建筑中的辦公樓和旅館等。本工程針對其具體情況，做多方案比擬，最終確定了框架-剪

7、力墻結(jié)構(gòu)體系；既能滿足了上部住宅樓、底部商業(yè)用房的建筑使用功能要求，又能滿足建筑物在高烈度區(qū)的平安可靠性，同時這種結(jié)構(gòu)形式也是較為經(jīng)濟合理的，可有效的控制工程造價。 3 根底及地基處理的設計 高層建筑根底的合理選型與設計是整個結(jié)構(gòu)設計中的一個極其重要和非常關(guān)鍵的局部。根底的工程造價在高層建筑整個工程造價中所占的比例較高，尤其在地質(zhì)條件比擬復雜的情況下更是如此。所以選用合理的根底形式或地基處理方式，對降低工程造價起著至關(guān)重要的作用。該工程地基承載力特征值為200kPa，天然地基不能滿足設計要求，根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，可采取鉆孔灌注樁或預應力管樁。由于場地為自重濕陷性場地，濕陷等級為級，建議首先采

8、用素土擠密樁對濕陷性土層進行處理?？紤]甲方施工工期緊的情況，經(jīng)過多方經(jīng)濟比擬，最終取消了素土擠密樁處理，而是直接采用機械旋挖成孔的鋼筋混凝土灌注樁穿越濕陷性土層。根據(jù)西安當?shù)亟?jīng)驗，旋挖成孔技術(shù)可提高灌注樁的承載力約2050%，這就大大節(jié)約了施工時間，并減少了素土樁施工費用，而灌注樁所增加的樁長卻很小。本工程樁基承臺此次采用底平，主要是為了使位于地下室的設備管線埋設在各個承臺之間的空隙，而不占用建筑面層。這樣可大大減小基坑的開挖深度，減小工程量，從而降低工程造價。 4 結(jié)構(gòu)設計 本工程通過抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置，在地震作用下，使結(jié)構(gòu)的各工程標參數(shù)均符合標準要求的前提下，不斷優(yōu)化，盡量減少剪力墻的數(shù)

9、量和厚度，使結(jié)構(gòu)在X、Y 兩個方向剛度根本接近，兩個方向水平位移均接近標準限值，結(jié)構(gòu)布置更加經(jīng)濟合理。從承載力方面來看，使框架、剪力墻的作用得到充分的發(fā)揮；從地震作用來看，減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，并因此減輕了建筑的自重，從而減小了結(jié)構(gòu)的地震作用；也相應減少了根底工程的投資。本工程樓層最大位移：X 方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/1084；Y 方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角：1/859；滿足了抗震標準與高規(guī)規(guī)定的剪力墻結(jié)構(gòu)樓層最大值層間位移角限值均為：1/800 的要求。 5 材料選用 5.1 采用高強度鋼筋 在滿足結(jié)構(gòu)設計承載力要求的前提下，選擇相對造價低的鋼筋方案，可以到達

10、降低工程造價的目的。大多數(shù)設計人員一般把重點放在配筋的計算上，往往無視鋼筋種類的選擇。新級鋼筋是近年來推廣使用的新型鋼筋，它比普通級鋼筋提高強度近20%，每噸價格增加不超過10%。因此新級鋼筋的選用，在增加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強度和建筑物平安儲藏的同時，還節(jié)省了用鋼量。另外，鋼筋的連接宜優(yōu)先采用閃光對焊，且普通焊接或電渣壓力焊接比搭接經(jīng)濟。本工程根底和梁、柱及板配筋等大局部均采用HRB400 級鋼筋，HRB400 級鋼筋強度設計值與HRB335 級鋼筋強度設計值之比360/300=1.2；據(jù)資料統(tǒng)計，用強度高的HRB400 級鋼筋取代強度低的HRB335 級鋼筋可節(jié)約鋼材約14%，這是降低鋼筋用量最直接的措施。 5.2 采用輕質(zhì)隔墻 本工程為減輕荷載，內(nèi)隔墻采用輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系，與輕質(zhì)砌塊隔墻相比，輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系具有自重輕、干法作業(yè)，安裝效率高，易于拆改、施工快捷，縮短工期的優(yōu)點，近年來在高層住宅建筑中得以廣泛應用。以99mm 厚的輕質(zhì)石膏板隔墻為例，其重量為23kg/m2，是相同厚度砌塊隔墻重量的28%，可顯著節(jié)省建筑承重結(jié)構(gòu)和根底費用，降低土建結(jié)構(gòu)造價。 三、結(jié)語 本文討論的該工程通過以上幾個方面的優(yōu)化設計，在符合現(xiàn)行國家標準前提下，做到平安性能可靠，減少了建筑的混凝土用量和鋼