【高层住宅建筑结构设计优化】建筑结构设计优化及实例

　　 【摘要】结构工程师要将优化设计贯穿于结构设计的整个过程,精益求精的完成每一项设计工作, 创作出既保证结构达到《规范》要求的同时, 还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主满意的产品。本文介绍了高层住宅建筑结构设计优化要点，进行了高层住宅建筑结构优化设计实证分析。
　　【关键词】高层住宅建筑结构设计优化
　　中图分类号：TU241.8文献标识码：A 文章编号：
　　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。结构工程师要将优化设计贯穿于结构设计的整个过程,精益求精的完成每一项设计工作, 创作出既保证结构达到《规范》要求的同时, 还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主满意的产品, 从而真正达到优化设计的效果。
　　一、高层住宅建筑结构优化设计要点
　　1、限制结构平面布置的不规则性避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。高层建筑混凝土结构技术规程3.4.5条规定: 在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移, A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2倍, 不应大于该楼层平均值的 1.5倍。抗震设计的 A级高度钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确, 传力直接, 力争均匀对称, 减少扭转影响。结构刚度不对称也会产生扭转。所以在布置剪力墙时, 应使结构均匀分布, 令荷载合力作用线通过结构刚度中心, 以减少扭转影响。结构刚度不对称产生扭转时, 通过增加墙厚来调整扭转效应效果不佳。高层剪力墙结构住宅中剪力墙影响刚度, 而剪力墙为矩形截面, 惯性矩为 IZ = bh3 /12，b为墙厚,h为墙长。剪力墙的长度对其刚度影响很大。首先分析哪部分结构刚度大, 哪部分结构刚度小, 增大刚度对结构有利, 还是减小刚度对结构有利, 通过增减剪力墙达到结构刚度均匀对称, 满足高层建筑混凝土结构技术规程435条对最大水平位移和层间位移的要求。
　　2、限制结构的抗扭刚度不能太弱。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定: 结构扭转为主的第一自振周期 Tt与平动为主的第一自振周期 T1之比, A级高度高层建筑不应大于 0.9。扭转耦联振动的主方向, 可通过计算振型方向因子来判断, 在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中, 当转动方向因子大于0.5时, 则该振型可认为是扭转为主的振型。当不满足以上要求时, 宜调整抗侧力结构的布置, 增大结构的抗扭刚度。如在满足层间位移比的情况下, 减小某些 (中部) 竖向构件刚度, 增大平动周期, 加大端部竖向构件抗扭刚度, 减小扭转周期。
　　3、高层建筑的基础形式应选用整体性好, 能满足地基承载力和层建筑容许变形的要求, 并能调节不均匀沉降, 达到安全实用和经济合理的目的。以下讨论平板式筏基和梁板式筏基经济合理的问题。平板式筏基与梁板式筏基相比较具有节约钢材、混凝土, 施工工期短等优点。住宅一般开间小, 即剪力墙间距小, 并且剪力墙刚度大,所以剪力墙完全可以起到梁板式筏基中基础梁的作用。采用中国建筑科学研究院编制的 JCCAD软件, 用有限元法对不同基础形式进行基础计算, 发现平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多, 但梁板式筏基却有基础梁的配筋、混凝土用量和基础梁支模等情况。当采用梁板式筏基时有的基础梁的刚度达不到它所应起到的刚度作用, 计算时超筋。于是还要再增大梁的断面。从综合经济效益分析, 对于采用剪力墙结构形式的高层住宅平板式筏基比梁板式筏基更经济合理。
　　4、高层建筑平面凹入较深时构造处理。高层建筑平面不规则, 容易发生震害, 在不妨碍建筑使用的原则下可以采取以下措施: 设置拉 梁或拉板 (板厚为 250mm-300mm),拉梁拉板内配置受拉钢筋。满足梁板最小配筋率要求。
　　5、高层住宅转角窗处的构造处理。角部墙体开洞, 与角部墙体不开洞的剪力墙结构相比, 结构整体效应影响颇大, 结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异, 角部墙体开洞的剪力墙结构其外墙内力明显增大。开洞的角部各构件扭转效应明显, 特别是洞口处的连梁, 需配置抗扭钢筋, 转角处楼板宜局部加厚, 配筋宜适当加大, 在转角处板内设置连接两侧墙体的暗梁。
　　6、不规则楼板的计算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要, 常出现不规则楼板, 以往处理方法在缺口设梁,这样影响建筑的美感。现在设计中改设暗梁, 梁适当加宽。楼板的承载力潜力较大, 计算时可按一般梁计算。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。结构工程师要将优化设计贯穿于结构设计的整个过程,精益求精的完成每一项设计工作, 创作出既保证结构达到规范要求的同时, 还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主满意的产品,从而真正达到优化设计的效果。
　　二、高层住宅建筑结构优化设计实证分析
　　1、工程概况
　　某高层建筑, 业主要求建筑必须要体现大空间概念, 最后经过与设计院的协调沟通, 确定采用28 层的设计方案, 其中, 地下2层, 地上26层, 总建筑面积达到30000 m2, 高度达到94. 5 m。
　　2、结构体系方案的比较分析
　　该高层建筑, 第一方案采用的是框架——筒体结构。该结构的特点刚度较大、自重不是很大, 而且结构的平面布置相对灵活, 能克服剪力墙结构体系的一些缺陷。此外, 由于核心筒的存在, 整个建筑的侧向刚度得到了大大提高, 且大部分的水平力都是由筒体来承受, 大楼的整体刚度得到了提高, 并承担了大部分水平方向的力, 由此可以看出, 该建筑具有良好的侧向变形能力, 抗震性能非常强。
　　在此基础上, 我们在满足结构基本功能情况下, 还选取了剪力墙结构体系进行结构设计, 用以比较两种不同结构的结构性能和经济性能。剪力墙结构是一种非常常见的结构体系, 目前在很多高层建筑中采用, 它的优点主要体现在侧向刚度大, 强度大, 整体性强, 缺点在于剪力墙结构需要的混凝土量是很大的, 自重大,造价高, 且地震作用力大, 结构平面布置不灵活。针对这两种不同的结构体系, 我们采取了结构软件计算的方法进行对比分析, 本文也主要对此进行论述。
　　3、计算参数的确定及计算软件的选取
　　（1）设计基本参数
　　本工程的设计基准期为50年, 使用年限为50年, 安全等级则为一级, 地基设计等级则为甲级。该建筑工程抗震设防烈度为6度, 地震分组是第一组, 设计的基本地震加速度选取0. 05g, 建筑抗震设防类别是丙类。由于该工程的场地为Ι类, 按照该地区的抗震设防烈度要求进行抗震构造就可以了。该工程确定为A级高度建筑, 建筑结构的抗震等级: 剪力墙和框架柱都是三级抗震。工程场地的特征周期Tg = 0. 25s, 水平地震影响系数的最大值αmax = 0. 4, 放大系数β= 2. 25。