高层建筑结构优化设计的研究.doc

摘要本文探讨了在建筑结构设计工作中分析了选择合理的结构方案时应遵循的一些基本原则探讨了在进行正确的结构计算时应注意的一些问题提出了高层建筑结构分析以及各种体系相对应的方法为提高高层建筑结构分析与设计提供有效参考价值关键词城市高层建筑结构分析优化设计研究应用在建筑结构设计中当建筑方案产生后结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题再加上后续每一道工序的精心设计准确计算合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构下面就结构设计优化的一些途径谈一点看法以期与广大结构设计人员共勉一现代高层建筑结构设计存在的缺陷对于低层多层和高层建筑竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的但是随着高度的不断增加竖向结构体系成为设计的控制因素其原因有两个其一较大的垂直荷载要求有较大的柱墙或者井筒其二侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多与竖向荷载相比侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的而随建筑高度的增高迅速增大例如在所有条件相同时在风荷载作用下建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比地震的作用效应更加明显在现代高层建筑中问题不仅仅是抗剪而更重要的是整体抗弯和抵抗变形可见现代建筑的高层结构受力性能与低层建筑有很大的差异存在扭转共振水平侧向位移及剪重比等问题二城市高层建筑结构设计的特点水平荷载是决定因素一般的来说一方面楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值仅与楼房高度的一次方成正比而水平荷载对结构产生的倾覆力矩以及由此在竖构件中引起的轴力是与楼房高度的两次方成正比而另一方面对某一定高度楼房来说竖向荷载大体上是定值而作为水平荷载的风荷载和地震作用其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化轴向变形同等重要高层建筑中竖向荷载数值很大能够在柱中引起较大的轴向变形从而会对连续梁弯矩产生影响造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大还会对预制构件的下料长度产生影响要求根据轴向变形计算值对下料长度进行调整侧移是控制指标与较低楼房不同结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素随着楼房高度的增加水平荷载下结构的侧移变形迅速增大因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内结构延性是重要设计指标相对于较低楼房而言高楼结构更柔一些在地震作用下的变形更大一些为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力避免倒塌特别需要在构造上采取恰当的措施来保证结构具有足够的延性三城市高层建筑的一般结构体系框架一剪力墙体系当框架体系的强度和刚度不能满足要求时往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架便形成了框架一剪力墙体系在承受水平力时框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系在体系中框架体系主要承受垂直荷载剪力墙主要承受水平剪力框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型剪力墙的设置增大了结构的侧向刚度使建筑物的水平位移减小同时框架承受的水平剪力显著降低内力沿竖向的分布趋于均匀所以框架剪力墙体系的能建高度要大于框架体系剪力墙体系当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时即形成剪力墙体系在剪力墙体系中单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力剪力墙体系属刚性结构其位移曲线呈弯曲型剪力墙体系的强度和刚度都比较高有一定的延性传力直接均匀整体性好抗倒塌能力强是一种良好的结构体系能建高度大于框架或框架一剪力墙体系筒体体系凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系包括单筒体简体一框架筒中筒多束筒等多种型式简体是一种空间受力构件分实腹筒和空腹筒两种类型实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件简体体系具有很大的刚度和强度各构件受力比较合理抗风抗震能力很强往往应用于大跨度大空间或超高层建筑四城市高层建筑结构分析高层建筑结构分析的基本假定高层建筑结构是由竖向抗侧力构件框架剪力墙筒体等通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化下面是常见的一些基本假定弹性假定目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法在垂直荷载或一般风力作用下结构通常处于弹性工作阶段这一假定基本符合结构的实际工作状况但是在遭受地震或强台风作用时高层建筑结构往往会产生较大的位移出现裂缝进入到弹塑性工作阶段此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的应按弹塑性动力分析方法进行设计小变形假定小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定但有不少人对几何非线性问题效应进行了一些研究一般认为当顶点水平位移与建筑物高度的比值时效应的影响就不能忽视了刚性楼板假定许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大而平面外的刚度则忽略不计这一假定大大减少了结构位移的自由度简化了计算方法并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件一般来说对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的但是对于竖向刚度有突变的结构楼板刚度较小主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况楼板变形的影响较大特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响计算图形的假定高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调竖向位移和转角的协调而且忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的三维空间分析的普通杆单元每一节点有个自由度按符拉素夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲有个自由度高层建筑结构静力分析方法框架一剪力墙结构框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多大都采用连梁连续化假定由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解由于采用的未知量和考虑因素的不同各种方法解答的具体形式亦不相同框架一剪力墙的机算方法通常是将结构转化为等效壁式框架采用杆系结构矩阵位移法求解剪力墙结构剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙小开口整体墙联肢墙特殊开洞墙框支墙等各种类型不同类型的剪力墙其截面应力分布也不同计算内力与位移时需采用相应的计算方法剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法此法较为精确而且对各类剪力墙都能适用但因其自由度较多机时耗费较大目前一般只用于特殊开洞墙框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况筒体结构筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类等效连续化方法等效离散化方法和三维空间分析这里主要讨论三维空间分析等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理一种是只作几何分布上的连续化以便用连续函数描述其内力另一种是作几何和物理上的连续处理将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板以便应用分析弹性薄板的各种有效方法等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件以便应用适合杆系结构的方法来分析这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等五小结通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键不能片面强调节约投资而降低技术和质量标准又要反对重技术轻经济设计保守浪费的现象建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求实现建筑物适用安全美观经济的目标结构造价在建筑工程中所占的比重很大通过精心设计所带来的经济效益是十分可观的实现安全与经济的最佳结合也是衡量一个结构设计人员专业水平和能力的主要标准