淺談高層建筑結構優(yōu)化設計5400字

1、淺談高層建筑構造優(yōu)化設計5400字 摘要:隨著社會經(jīng)濟的迅速開展，促使高層建筑得以快速開展，本文主要針對高層建筑構造設計中的幾個問題進展了分析，僅供同行參考。 關鍵詞：高層建筑；構造設計；優(yōu)化設計0引言隨著社會經(jīng)濟的迅速開展和建筑功能的多樣化，城市人口的不斷增多及建立用地日趨緊張和城市規(guī)劃的需要，促使高層建筑得以快速開展。構造工程師在高層設計中如何把握設計要點，直接影響到整體構造的平安性、經(jīng)濟性及合理性。1高層建筑構造設計的特點多層和高層構造的差異主要是層數(shù)和高度。但是實際上，多層和高層建筑構造沒有本質性差異 ，它們都要抵抗豎向及程度荷載作用，從設計原理及設計方法而言，根本上是一樣的。但是在高

2、層建筑中，要使用更多構造材料來抵抗外荷載，特別是程度荷載，因此抗測力構造成為本工程構造設計的主要問題，設計時要滿足更多的要求，尤其自身有別于多層建筑的特殊要求和設計特點。1.1程度荷載成為控制構造設計的主要因素。構造內力、位移與高度的關系，除軸向力與高度成正比之外，彎矩和位移隨高度都呈指數(shù)曲線上升，因此，隨著高度的增加，程度荷載將成為控制因素。程度力作用下構造是否優(yōu)化，材料用量將有很大差異。1.2特別是在地震區(qū)，隨著層數(shù)的增加，地震作用對高層建筑危害的可能性也比對多層建筑大，設計建筑構造的抗震設計應受到加倍重視，本工程位于非地震區(qū)，無需進展地震作用的計算，仍需要考慮抗震的構造措施。1.3側移成

3、為控制指標。與多層建筑不同，構造側移已成為設計建筑構造設計中的關鍵因素。隨著建筑高度的增加，程度荷載下構造的側移變形迅速增大，因此應將構造在程度荷載作用下的側移控制在某一限度之內。1.4軸向變形不容無視。高層建筑中豎向荷載數(shù)值很大，使得柱產(chǎn)生較大的軸向變形，從而會使得連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大。軸向變形還會對預制構件的下料長度產(chǎn)生影響，需要根據(jù)軸向變形的計算值調整下料長度進展。另外軸向變形對構件的剪力和側移產(chǎn)生影響，如不考慮構件豎向變形將會得出偏于不平安的計算結果。1.5構造延性是重要設計指標。相對于多層建筑而言 ，高層建筑更柔一些，在地震作用下的變形更大一

4、些。為了防止倒塌，特別需要在構造上采取合理措施，使構造在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形才能，即保證構造具有足夠的延性。2高層建筑構造體系的分類2.1高層建筑按構造材料劃分2.1.1鋼筋混凝土構造體系鋼筋混凝土構造合理利用了鋼筋和混凝土兩種材料的協(xié)同受力性能特點，廣泛應用于各種工程構造中。它具有取材豐富，造價較低，耐久性和耐火性較好，維護費用低，構造造型靈敏，整體性能好等優(yōu)點。由于這些優(yōu)點使得鋼筋混凝土構造成為我國傳統(tǒng)的構造形式，在我國的高層建筑中占主導地位。2.1.2鋼構造體系鋼構造具有強度高，抗震性能好，構件截面小，工廠化消費程度高，施工方便，建立周期短，大跨度、大空間、多用處等特點。同

5、時也具有構造材料較昂貴，造價較高，鋼材易于銹蝕，日后維護費用高，防火性能差，設計施工技術較復雜等缺點。2.1.3鋼混凝土混合構造體系鋼混凝土組合構造將鋼構件和鋼筋混凝土構件兩者并用，互相取長補短，既充分利用了鋼構件具有的材料強度高，截面尺寸小，能提供較大跨度空間的優(yōu)點，也利用了鋼筋混凝土墻體或簡體混凝土混合構造能形成高效的 抗側力體系，用鋼量較小造價較低，具有良好的技術經(jīng)濟效益，因此它在3080層的高層建筑中得到了推廣應用。2.1.4鋼混凝土組合構造體系鋼混凝土組合構造主要包括型鋼混凝土和鋼管混凝土構造，型鋼混凝土構造指混凝土內含型鋼勁性配筋混凝土構造，鋼管混凝土是指在鋼管中填充混凝土而形成的

6、構件。鋼混凝土組合構造的優(yōu)點是，在三向受壓狀態(tài)下極大改善了混凝土脆性性能，承載力高，抗裂性能和抗震性能較好，耐火性能優(yōu)于鋼構造，能在不顯著進步造價的情況下增強構造的抗震性能，減小構件截面，施工時無需支撐和模板，施工速度加快。2.2高層建筑按構造形式劃分多層及高層建筑中傳統(tǒng)的、廣泛應用的是框架、剪力墻、框架一剪力墻構造體系。在高度較大的高層建筑中，應用較多的是框架簡體構造、框架構造、筒中筒構造及多筒構造等構造體系。2.2.1框架構造體系框架構造體系采用梁、柱組成的構造體系作為建筑豎向承重構造，并同時承受程度荷載，適用于多層或高度不大的高層建筑?？蚣軜嬙斓牟贾靡⒁鈱ΨQ均勻和傳力途徑直接。傳統(tǒng)的構

7、造布黃采用主次梁的作法為主，逐步向扁梁或無蓋梁開展?？蚣苤强蚣軜嬙斓闹饕Q向承重和抗側力構件，以受壓應力為主?？蚣荏w系的整體構造的抗側移和穩(wěn)定主要靠框架構造自身，其構造側身剛度差，側向位移大，因此一般適用于1012層50m高度以下的建筑。當建筑層數(shù)較大時，框架構造的內力和位移很大，不宜選用純框架構造體系。2.2.2剪力墻構造體系剪力墻構造體系是利用建筑物的墻體作為豎向承重和抵抗側力的構造體系。剪力墻的間距受樓板構件跨件的限制，一般為3.8米。因此剪力墻構造適用于要求小房間的住宅、旅館等建筑。剪力墻一般采用鋼筋混凝土材料，可分為全部為現(xiàn)澆的剪力墻，全部用預制墻板裝配而成的剪力墻，內墻為現(xiàn)澆、外

8、墻為預制墻板的剪力墻?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻構造的整體性好，剛度大，在程度力作用下側向變形很小。墻體面積大，承載力要求也比擬容易滿足，抗震性能也較好。2.2.3框架剪力墻構造體系框架剪力墻構造是將框架和剪力墻結合在一起而形成的構造形式。它既有框架構造平面布局靈敏、適用性強的優(yōu)點，又有較好的承受程度荷載的才能，是高層建筑中應用比擬廣泛的一種構造形式。合理的構造設計，將能使框架、剪力墻兩種不同變形性能的抗側力構造很好地協(xié)同工作共同發(fā)揮作用?？蚣芗袅嬙斓倪x型布置設計中要注意以下幾個方面。1剪力墻的部位?？蚣芗袅嬙熘校蚣?、剪力墻兩種變形性質不同的構造協(xié)同工作，使整體構造的抗側剛度、抗側才能大大

9、進步，但與此同時樓屋蓋受力較大，程度力將通過樓屋蓋在框架柱、剪力墻兩種構造體系中互相轉移。當剪力墻數(shù)量較少時，應力集中的現(xiàn)象突出。剪力墻還應在整體構造兩個主軸方向都均勻設置。使整個構造在兩個主軸方向都是呈框剪特性，這樣有利于增大構造整體空間剛度和抗震、抗風。2剪力墻的合理數(shù)量。框架剪力墻構造有其自身的固有特性，它慨不同于純框構造，又不同于純剪力墻構造：要使框剪構造合理有效、可靠工作,剪力墻的數(shù)量決不能隨心所欲,而應有一定的適宜數(shù)量。3剪力墻的構成?？蚣芗袅嬙熘屑袅Τ惺艹潭群奢d作用下的絕大局部基底程度剪力和大局部總傾覆彎矩。其構成要遵循以下原那么：宜墻面完好并設翼緣或端柱，在端柱或翼緣局部

10、縱筋加強，約束箍筋加強；剪力墻不宜過長禿頭，而應相對短些，每處剪力墻的高長比墻總高與總長之比宜控制在小于810，以減小剪力墻的剪切變形影響，發(fā)揮剪力墻的彎曲特性；軸壓比要適宜，一般在垂直重力荷載下組合設計壓力產(chǎn)生的軸壓比宜控制在0.5左右，使之與框架柱的軸壓比比擬接近，以減小高層構造在垂直重力荷載作用下產(chǎn)生的二次應力的影響。3高層建筑構造體系的新變化及其對選型決策的影響隨著高層建筑迅速地開展，層數(shù)越來越多，建筑造型越來越豐富多樣，材料越來越高級，體型越來越復雜，構造體系越來越新穎，傳統(tǒng)構造體系不斷被變革、被創(chuàng)新、新構造體系不斷出現(xiàn)。其特點有以下幾個方面。1)構造體系自重的輕型化。構造體系中越來

11、越重視采用輕質高強材料以減輕構造自重。2構造體系的巨型化。建筑高度的不斷進步和建筑使用功能上對特大空間的要求，促使巨型構造體系產(chǎn)生。3柱網(wǎng)、開間擴大化。近幾年，高層框架內柱網(wǎng)尺寸及高層剪力墻的開間尺寸有漸趨勢擴大之勢。4高層建筑構造體系中設置轉換層。近年來國內外流行集辦公、居住、商貿、娛樂為一體的高層綜合體。為實現(xiàn)這種功能的綜合化，構造選型往往是根據(jù)各局部建筑功能要求選擇各自適宜的構造體系及合理的柱網(wǎng)尺寸，然后通過轉換層的特殊處理將它們聯(lián)絡，組合在同一棟高層建筑中。5高層建筑構造體系中設置加強層。設置加強層可以使外柱參與整體抗彎，增強構造體系整體抗側才能，減小芯筒的彎矩，減小構造的側移。面對這

12、些新變化，設計者一方面應建立起選型的新概念，積極掌握新的研究成果，吸收工程建立經(jīng)歷，在工程實例中正確選型，另一方面由于新的構造體系缺乏成熟的標準根據(jù)，在做選型分析時應充分試驗，充分論證，進步設計的正確性和可信度。 4高層建筑構造體系如何優(yōu)化 如上文所說，每一種構造體系都有其適用的經(jīng)濟高度，對于同一棟高層建筑，往往可以有不同的構造體系可以選擇。到底選擇那一種構造體系比擬經(jīng)濟合理，這就牽扯到構造體系優(yōu)化的問題。在鋼筋混凝土以及鋼構造的設計中，有一些根本的原那么可以改善構造的受力功能，進步構造的抗震才能，而不需要明顯地增大建筑本錢。4.1增加抗彎構造體系的有效寬度，以調整構造的抗側剛度。這樣做好，是

13、非常直接的，也是非常有效的。增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。從材料力學的根本知識可以知道，同樣面積、抗傾覆力同構造寬度的關系不同開關，可以獲得不同的其幾何特征。例如：相等面積的條件下，工字形截面的截面慣性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圓形截面。根據(jù)這個原理，不難理解加大寬度以后，整個構造的抗側剛度得到很大進步。在其它條件不變的前提下，側移將按寬度增加的三次方的比例減小。當然，必須考慮“剪力滯后的不利影響，構造體系中豎向構件的程度連接應具有足夠的剛性，才能真正到達上述效果。4.1.1設計構造分體系時，應使其構件以最有效的方式互相作用。例如，應用具有有效受力狀態(tài)的弦桿的桁架體

14、系；在鋼筋混凝土抗震墻內配置穿插鋼筋，以增強其抗剪才能；調整構件風度，使框架的剛度比到達最優(yōu)以獲得良好的受力效果。4.1.2增大最有效承受荷載構件的面積，充分的揮材料的自身強度，是構造工程師應該時刻考慮的問題以及應該具有的根本構造概念。例如，增大較低樓層框架柱和框架梁的截面高度或受壓翼緣面積，就可以直接增大構造的抗側剛度，有效減小側向位移，從而改善構造的抗震性能。4.1.3程度作用的傳遞主要是依靠樓板，并且目前幾乎所有的構造分析理論所采用的根本假定都是樓板程度剛度無限大。故此，每一層樓蓋應該具有足夠的剛度和連續(xù)性，以起到程度隔板的作用，使各抵抗外力的構件可以協(xié)同工作成為整體，而非各自獨立。5構

15、造構件的優(yōu)化設計5.1軟件對混凝土梁計算顯示超筋信息有四種情況。當梁的彎矩設計值M大于梁的極限承載彎矩Mu時，提示鋼筋。在四級抗震及二、三級抗震時 0.35計算時取AS=0.3AS，一級抗震時 0.25計算時取AS=0.5AS，提示超筋。當大于?抗震標準?要求梁端縱向受拉鋼筋的最大配筋率2.5時，提示超筋。混凝土梁斜截面計算結果不滿足最小截面的要求時，那么提示超筋。5.2剪力墻超筋的情況。剪力墻暗柱超筋。軟件中設定的暗柱最大配筋率是4，而各標準以邊緣構件方式給出了剪力墻柱筋的配筋面積，沒有最大配筋率。所以當程序給剪力墻超筋的警告信息時，可以酌情考慮；當剪力墻程度筋超筋時那么說明該構造抗剪承載力

16、不夠，應予以調整；當剪力墻連梁超筋時，通常說明其在程度地震力作用下抗剪承載力不夠。標準中允許在地震作用下對剪力墻連梁的剛度進展折減，折減后的剪力墻連梁在都會出現(xiàn)塑性變形，即開裂。但在進展剪力墻連梁設計時，應考慮其配筋是否滿彈性變形時承載力的要求。5.3柱的軸壓比計算。軟件在計算考慮地震作用下柱的軸壓比時，采用的是地震作用組合下的柱軸力設計值；軟件在不考慮地震作用下柱的軸壓比時，采取的是非地震作用組合下的柱軸力設計值。因此對于同一個工程，考慮地震力和不考慮地震力時柱的軸壓比計算結果會不一樣。本工程中框支柱最大軸壓經(jīng)為0.68,小于?抗震標準?的限值0.7。5.4剪力墻的軸壓比計算。為了保證構造在地震力作用下的延性，新的?高規(guī)?和?抗震標準?對剪力墻的軸壓比均作了限制。需要指出的是，軟件是按單向計算短肢剪力墻的軸壓比時，與?高規(guī)?中規(guī)定按雙向計算短肢剪力墻的軸壓比有所不同。本工程底部加強區(qū)墻肢最大軸壓比為0.48,小于?抗震標準?的限