議高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

1、<p>　　議高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計</p><p>　　摘要:由于高層建筑有著自己獨特的特點，同時隨著我國人民生活水平的逐步提高，對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,可以有效降低成本,這個問題越發(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)計經(jīng)驗并結(jié)合工程實例對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提出見解,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 </p><p>　　中圖分類號：TU97 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： </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)強度、剛度以及較長的安全性與耐久性等方面的優(yōu)勢，同時，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，建筑單位要想切實地使混凝土的應(yīng)用充分發(fā)揮各種優(yōu)勢，就必須努力地做好對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(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)計工作。 </p><p>　　1、高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則 </p><p>

4、;<b>　　1.1 設(shè)計原則 </b></p><p>　　當(dāng)前時期，設(shè)計人員對高層建筑中的混凝土實施結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須遵循適用性、安全性、耐久性以及可靠性幾個方面的原則，以保證此項結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，為該高層建筑的建設(shè)帶來質(zhì)優(yōu)價廉的效果，使其結(jié)構(gòu)的各項功能均達到預(yù)計要求。下面就具體地對這幾個設(shè)計原則加以分析: </p><p>　　1) 適用性。高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計的適用性

5、原則，是以該建筑設(shè)計時所設(shè)定的具體使用年限為參照，保證建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠在此年限中，使自身的裂縫、變形、振動等各項性能變動，始終控制在允許的限度內(nèi)，使建筑在各項結(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)計的安全性原則，亦是以設(shè)計使用年限為依據(jù)，使該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計在預(yù)定年限范圍內(nèi)，始終可以達到對內(nèi)部與外部各項荷載力的有效承受，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)計原則，是指建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須在規(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)計原則，是指高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，必須在設(shè)計的基準(zhǔn)期與建筑的使用年限范圍內(nèi)，充分達到耐久性、安全性、穩(wěn)定性、剛度、動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,同時經(jīng)初步計算,在盡可能加長墻肢的情況下,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,本工程已有兩項超出規(guī)則性的要求, 需按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011 - 2010 中第3

10、.4.3 條的要求進行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整,并應(yīng)對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,若不優(yōu)化平面形狀,盲目采取加強措施,必然要付出沉重的經(jīng)濟代價,甚至?xí)Α翱刂瞥杀?降低造價”造成致命的打擊。由于在建筑平面的中部增加部分樓板對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。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度等級的使用比較。本工程大部

13、分板塊的板跨都不大,計算后發(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度等級直接相關(guān)。本工程標(biāo)準(zhǔn)層的梁板砼強度等級采用C25 ,對比如下: </p><p>　　一級鋼:ρmin = max{0.2% ,0.45ft/fy} = 0.27% </p><p>　　三級鋼:ρmin = max{0.2% ,0.45ft/fy} = 0.20% </p><

14、p>　　目前,市面上三級鋼與一級鋼的價位相差不多,三級鋼與一級鋼的強度比/ = 1.714 ,當(dāng)結(jié)構(gòu)采用大板且為受力控制時,三級鋼的優(yōu)越性更明顯;再者,用三級鋼還有個好處,就是支座筋相對不易被踩下去,而底筋不需要彎鉤,可減少施工工序。 </p><p>　　(4) 本工程1～11 層,其剪力墻混凝土強度等級采用C45 ,往上約每隔5 層變化一次,直到為C30 時不再變化。分析表3.2.2 ,本工程若把墻最高

15、砼強度等級再適當(dāng)提高(如采用C60) ,降低軸壓比后,有部分墻肢其長度可進一步縮減。發(fā)展商出于對整個樓盤統(tǒng)一技術(shù)措施的考慮,且經(jīng)初步估算后,工程造價已在可接受范圍,故仍控制墻砼的最高強度等級為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:在高層建筑的一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)

16、,宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則,剛度和承載力分布均勻,平面長度不宜過長,突出部分長度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單、規(guī)則、均勻,那么其各項指標(biāo)的校核驗算會很容易滿足規(guī)范的要求,反之,則需花一番苦功才能令各項指標(biāo)勉強滿足規(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)計人員一定要注重概念設(shè)計,在建筑方案階段就應(yīng)積極介入,運用自己的專業(yè)知識提出建議,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: </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)計經(jīng)驗并結(jié)合工程實例對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提出的見解。優(yōu)化設(shè)計,關(guān)鍵是要有整體和局部的概念,要從整體入手,落實到局部,整體和局部“兩手抓”。 </p><p>