高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺談

1、<p>　　高層建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺談</p><p>　　摘要：本文主要從高層建筑的特點(diǎn)入手，探討了高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法，進(jìn)而提出了合理使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋，注重剪力墻的平面布置，多使用結(jié)構(gòu)簡單的獨(dú)立單元等優(yōu)化設(shè)計(jì)等具體方法。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　隨著高層建筑的迅

2、速發(fā)展，對其要求也越來越高，而混凝土施工是高層建筑施工中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這就需要從混凝土結(jié)構(gòu)方面對高層建筑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到理想效果。 </p><p>　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求 </p><p>　?。ㄒ唬┙Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮側(cè)向力 </p><p>　　側(cè)向力（風(fēng)或水平地震作用）成為影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形及建筑物土建造價(jià)的主要因素。高層建筑和低層建筑一樣，承受自

3、重、活載、雪載等垂直荷載和風(fēng)、地震等水平力。在低層結(jié)構(gòu)中，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移很小，可以忽略不計(jì)；在多層結(jié)構(gòu)中，水平荷載的效應(yīng)（內(nèi)力和位移）逐漸增大；在高層建筑中，水平荷載和地震力將成為主要的控制因素。 </p><p>　?。ǘ┙Y(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜剛度 </p><p>　　隨著高度的增加，高層建筑的側(cè)向位移迅速增大。因此設(shè)計(jì)高層建筑時(shí)不經(jīng)要求結(jié)構(gòu)有足夠的強(qiáng)度，而且要求結(jié)構(gòu)有適宜的剛度，

4、使結(jié)構(gòu)有合理的自振頻率等動(dòng)力特性，并使水平力作用下的層位移控制在一定范圍之內(nèi)。 </p><p>　　（三）結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的延性 </p><p>　　相對于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。建筑結(jié)構(gòu)的耐震主要取決于結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力兩個(gè)因素。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免高層建筑在大震下倒塌，必須在滿足必要強(qiáng)度的前提下，通過優(yōu)良的概

5、念設(shè)計(jì)和合理的構(gòu)造措施，來提高整個(gè)結(jié)構(gòu)、特別是薄弱層（部位）的變形能力，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。 </p><p>　　因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮這些因素，合理設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、適宜的剛度、良好的延性。 </p><p>　　二、高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體方法 </p><p>　　高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)首先得適應(yīng)于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且

6、要追求接近最優(yōu)解。優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要有整體和局部的概念，要從整體入手，落實(shí)到局部，整體和局部都要兼顧。 </p><p>　?。ㄒ唬┖侠硎褂酶邚?qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋 </p><p>　　建筑的總造價(jià)包括上部結(jié)構(gòu)的材料、基礎(chǔ)及施工等費(fèi)用，構(gòu)件的截面尺寸和用鋼量對造價(jià)的影響很大，設(shè)計(jì)中合理使用高強(qiáng)鋼筋（如梁、板筋采用三級鋼）可有效降低用鋼量，節(jié)約成本。如果高層建筑位于深厚軟弱地基上，由于作用于地基上

7、的荷載很大，合理使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋優(yōu)化構(gòu)件截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，將會(huì)降低基礎(chǔ)施工的難度和造價(jià)，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效果。同時(shí)，對于地震區(qū)的高樓，地震作用的大小幾乎與建筑自重成正比，減輕自重能夠減小結(jié)構(gòu)的地震荷載，有利于提高結(jié)構(gòu)的安全度。在設(shè)計(jì)中合理的使用高強(qiáng)砼和高強(qiáng)鋼筋，能快速、有效的減少墻、柱、梁、板等構(gòu)件的截面尺寸，降低用鋼量減輕建筑自重，最終達(dá)到降低造價(jià)的目的。 </p><p>　?。ǘ﹩卧Y(jié)構(gòu)布置要合理

8、 </p><p>　　在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，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。突出部分長度不宜過大；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)。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(xiàng)指標(biāo)的校核驗(yàn)算會(huì)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(xiàng)指標(biāo)勉

9、強(qiáng)滿足規(guī)范要求。結(jié)果可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(jià)上去了，而且還影響部分建筑功能的使用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要注重概念設(shè)計(jì)，在建筑方案階段就應(yīng)積極介入，運(yùn)用自己的專業(yè)知識提出建議，在滿足美觀、適用的前提下，盡量使建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置簡單、規(guī)則和均勻。這樣一來，結(jié)構(gòu)體系就會(huì)具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。只有這樣，到擴(kuò)初設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段的截

10、面尺寸優(yōu)化才會(huì)有實(shí)質(zhì)性的意義。 </p><p>　?。ㄈ┳⒅丶袅Φ钠矫娌贾?</p><p>　　a、結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，必須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。 </p><p>　　b、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(jì)的剪力墻結(jié)

11、構(gòu)，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。 </p><p>　　c、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。 </p><p>　　d、設(shè)計(jì)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>　　（四）女兒墻的優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　在設(shè)計(jì)上，女兒墻無法直接參與主體結(jié)構(gòu)的分析，所以

12、在計(jì)算時(shí)往往僅考慮女兒墻的自重，當(dāng)女兒墻較低時(shí)，這種方法是符合精度要求的，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全；但是，隨著女兒墻高度的增加，其地震荷載和風(fēng)荷載效應(yīng)也在增加，對主體結(jié)構(gòu)的影響越來越大。因此，當(dāng)女兒墻較高時(shí)，要仔細(xì)計(jì)算女兒墻所受水平荷載的情況。由于其側(cè)向剛度較小，女兒墻一般采用鋼筋混凝土材料，配筋計(jì)算可按支承于屋頂?shù)膽冶郯鍋砜紤]，且應(yīng)配雙層鋼筋。為保證屋面女兒墻與主體結(jié)構(gòu)的可靠連接，屋面女兒墻所在的框架梁或墻必須具有足夠的抗彎、抗扭剛度，即對

13、框架梁要根據(jù)女兒墻的底部計(jì)算彎矩配置受扭鋼筋。對女兒墻的計(jì)算，主要應(yīng)該驗(yàn)算在正常使用情況下由風(fēng)荷載引起的內(nèi)力并進(jìn)行截面配筋。有人認(rèn)為應(yīng)進(jìn)行地震作用計(jì)算，并將其地震作用乘以放大系數(shù)3來進(jìn)行內(nèi)力、配筋計(jì)算，認(rèn)為一般情況此法沒有必要；因?yàn)榕畠簤υ诮Y(jié)構(gòu)中畢竟是次要構(gòu)件，只要通過合理的構(gòu)造措施，來保證發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，女兒墻不致于倒塌掉下來傷人即可。 </p><p>　?。ㄎ澹┑叵率彝鈮Φ脑O(shè)計(jì)方法 </p>

14、<p>　　在一般情況下，地下室外墻所承受的主要荷載為結(jié)構(gòu)自重、地面活載、側(cè)向土壓力等。在我國已建成的高層建筑中，地下室外墻的墻厚和配筋相差很大，墻厚在200mm～700mm之間，配筋在565mm2一4909mm2之間，可見在結(jié)構(gòu)可靠與經(jīng)濟(jì)之間選擇一個(gè)合理的平衡，始終是一個(gè)值得探討的課題。地下室外墻的受力狀況與上部結(jié)構(gòu)類型及平面布置有很大關(guān)系。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)時(shí)，上部填充砌體及±0.00樓板對地下室外墻頂端的約束

15、程度很小，此時(shí)可假定墻體頂端為鉸接。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，剪力墻及±0.00樓板對地下室外墻頂部的約束程度很大，此時(shí)可假定墻壁頂端為固接?；A(chǔ)的剛度一般遠(yuǎn)大于墻體剛度，所以墻的下端一般視為固定端。在實(shí)際情況中，考慮到邊界條件不十分明確，為安全起見，可對同一邊界采用兩種不同的假設(shè)，如按端部固定計(jì)算墻端彎矩，按端部鉸接計(jì)算墻跨中彎矩。一般來講，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架時(shí)，地下室外墻的墻厚和配筋要大些；當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為剪力墻時(shí)，由

16、于正壓應(yīng)力的存在，墻體厚度和配筋相對要小些。計(jì)算表明，外墻壁配筋滿足裂縫寬度要求后，一般能同時(shí)滿足承載力計(jì)算和構(gòu)造要求；而當(dāng)外墻配筋滿足承載力計(jì)算時(shí)，卻不一定滿足</p><p>　　總之，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以從諸多方面人手，更加合理，有效地節(jié)約成本。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]馮