概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

1、城市建設(shè)CONSTRUCTION1工程概況某工程項(xiàng)目用地共計(jì)11.25hm2，總建筑面積約為72萬(wàn)m2，擬建成包括高檔公寓、SOHO公寓、普通住宅、商業(yè)、寫(xiě)字樓等多種功能的大型商業(yè)綜合體，整個(gè)綜合體共分為A、B、C、D、E5個(gè)建筑組群。本工程為其中的B區(qū)，建筑面積1O萬(wàn)m2，地下部分為兩層地下室，平時(shí)主要用于商業(yè)、設(shè)備用房及車(chē)庫(kù)，地下二層戰(zhàn)時(shí)為核5級(jí)人防地下室；地上部分裙房2～4層，兩棟住宅塔樓均為40層。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，

2、建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)?？拐鹪O(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。風(fēng)荷載按lOOa重現(xiàn)期的風(fēng)壓值計(jì)算，基本風(fēng)壓wo=O.60kNm2，地面粗糙類(lèi)別采用B類(lèi)，由于塔樓高寬比4.34＞4.0，風(fēng)荷載體形系數(shù)采用1.4。2基礎(chǔ)及地下室設(shè)計(jì)2.1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)地貌屬山前坡洪積平原。場(chǎng)地內(nèi)巖土分層自上而下描述如下：第1層：雜

3、填土，第2層：細(xì)砂，第3層：粉質(zhì)粘土，第4層：強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，第5層：中風(fēng)化云母片巖，該層未穿透。場(chǎng)區(qū)內(nèi)無(wú)不良地質(zhì)現(xiàn)象，無(wú)液化土層，區(qū)域穩(wěn)定性較好，適宜工程建設(shè)。場(chǎng)區(qū)地下水位標(biāo)高0.85～3.43m(黃海高程)。地下水類(lèi)型為第四系松散巖類(lèi)孔隙水及基巖裂隙水?？垢≡O(shè)計(jì)水位標(biāo)高建議值為4.00m2，相對(duì)于0.00為0.25m。2.2基礎(chǔ)類(lèi)型根據(jù)勘察報(bào)告，并考慮抗浮要求，裙房部分的基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，以第3層粉質(zhì)粘土層(fak=280kPa)或

4、第4層強(qiáng)風(fēng)化云母片巖層(fak=3OOkPa)為基礎(chǔ)持力層。筏板厚度為0.6m框架柱位置根據(jù)抗沖切需要設(shè)置相應(yīng)尺寸的柱墩。塔樓基礎(chǔ)考慮過(guò)兩種方案，一是天然筏板基礎(chǔ)，二是大直徑人工挖孔樁基礎(chǔ)。通過(guò)從結(jié)構(gòu)造價(jià)、施工方便等方面綜合比較，最后采用了傳力直接的大直徑人工挖孔樁墻下承臺(tái)梁防水板基礎(chǔ)。挖孔樁樁長(zhǎng)約13m，樁徑1000～1600，擴(kuò)底1800—2900，樁端持力層為第5層中風(fēng)化云母片巖，樁端極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值prq=6000kPa。2.3

5、地下室抗浮設(shè)計(jì)地下室抗浮設(shè)計(jì)水位為0.25m，需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上采用抗拔錨桿（Φ150)進(jìn)行抗浮，錨桿進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖不小于lOm，長(zhǎng)度不小于14m，單根錨桿抗拔承載力特征值為360kN。2.4地下室結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)及主裙樓差異沉降地下室平面尺寸為206x137m，大大超過(guò)規(guī)范要求。但考慮到設(shè)縫對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)采取適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)措施(采用微膨脹混凝土、設(shè)置后澆帶、加強(qiáng)配筋等)、建筑措施(純地下室頂板及墻加強(qiáng)保溫措施)及施工措施(分

6、段施工、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、采用添加劑等)，在地下室范圍內(nèi)不設(shè)變形縫而設(shè)置收縮后澆帶。另外，為解決主裙樓之間的差異沉降問(wèn)題，在主裙樓之間還設(shè)置了沉降后澆帶。收縮后澆帶要求在混凝土澆筑兩個(gè)月后可進(jìn)行封閉，沉降后澆帶則需根據(jù)沉降觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析后再選擇合適時(shí)機(jī)進(jìn)行封閉。3上部結(jié)構(gòu)方案工程地下室部分不設(shè)伸縮縫和沉降縫，整個(gè)工程連為一體，地下室頂板設(shè)計(jì)為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位。上部結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置2道抗震縫將結(jié)構(gòu)分為完全獨(dú)立的3個(gè)部分，其中左上角和右下角均為4

7、0層的2個(gè)塔樓，左下部分為2層的框架結(jié)構(gòu)。兩棟塔樓均為剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)高度119.9m，為A級(jí)高度的鋼筋混凝土高層建筑。塔樓平面外包尺寸為27.8x31.7m，高寬比HB=4.34，長(zhǎng)寬LB=1.14，均滿足規(guī)范的有關(guān)要求。結(jié)構(gòu)方案階段，首先根據(jù)概念設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行剪力墻的平面布置，盡量控制剪力墻的墻肢長(zhǎng)度滿足普通剪力墻的要求，并盡量布置帶有翼緣的剪力墻，以提高整個(gè)建筑物的抗震性能。二是充分利用中間交通核心形成的剪力墻內(nèi)筒的抗側(cè)力作用

8、，盡量減小外圍剪力墻的數(shù)量和尺寸。再根據(jù)結(jié)構(gòu)的規(guī)則性和整體性原則，對(duì)整體計(jì)算分析的結(jié)果從周期比、位移比、剛度比和層間受剪承載力之比、剛重比以及層間位移角等方面進(jìn)行綜合分析和判斷，在經(jīng)過(guò)多輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，確定了塔樓的結(jié)構(gòu)方案。其中，塔樓的剪力墻厚度從底部的400厚到300到250再到上部的200厚均勻變化；混凝土強(qiáng)度等級(jí)也從底部的C50到C40，最后過(guò)渡到C30，并且剪力墻厚度的變化與混凝土強(qiáng)度等級(jí)的變化均錯(cuò)開(kāi)數(shù)層。優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布

9、置詳見(jiàn)圖1。圖1標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖根據(jù)本工程的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)平面布置圖，還采取了一些構(gòu)造加強(qiáng)措施：正常樓層板厚為h=l10，地下一層樓板由于人防采用400厚，0.00樓板作為整個(gè)工程的嵌固端厚度h=180，裙房屋面層樓板厚度加厚為h=130，塔樓屋面層樓板厚度采用h=150；內(nèi)筒左右兩側(cè)及電梯間由于樓板開(kāi)大洞，板厚均加強(qiáng)為h=150，以傳遞水平力。4結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析4.1振型分解反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析時(shí)采用了2個(gè)不同的計(jì)算軟件，先采用SAT

10、WE進(jìn)行整體計(jì)算，再采用Etabs中文版進(jìn)行驗(yàn)證。地震作用計(jì)算首先采用考慮扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)振動(dòng)影響的振型分解反應(yīng)譜法，塔樓的部分計(jì)算結(jié)果如表1。結(jié)果表明，兩種軟件的計(jì)算差別不大，各項(xiàng)指標(biāo)概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析夏廣文浙江禾澤都林建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司浙江紹興312000摘要：文章結(jié)合某工程實(shí)際，從計(jì)算結(jié)果和經(jīng)濟(jì)分析表明，從概念設(shè)計(jì)的原則出發(fā)，根據(jù)結(jié)構(gòu)整體性原則經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化之后的結(jié)構(gòu)方案，既可以保證結(jié)構(gòu)的安全適用，還可以做到經(jīng)濟(jì)合

11、理。關(guān)鍵詞：概念設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑設(shè)計(jì)172萬(wàn)方數(shù)據(jù)城市建設(shè)CONSTRUCTION均滿足規(guī)范的有關(guān)要求。表1塔樓的部分計(jì)算結(jié)果4.2彈性時(shí)程分析補(bǔ)充計(jì)算本工程結(jié)構(gòu)高度大于100m，抗震設(shè)防烈度為7度，需進(jìn)行多遇地震下的彈性時(shí)程補(bǔ)充分析計(jì)算。選用1條人工波RHITG035以及2條實(shí)際地震記錄TAF2TH2TG035，采用SATWE進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析，輸入地震加速度的最大值為35cms2。結(jié)果表明：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)

12、底部剪力均大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的65%，三條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值大于振型分解反應(yīng)譜法結(jié)果的80%，選波有效。時(shí)程分析法計(jì)算所得剪力平均值在大部分樓層小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果，在頂部個(gè)別樓層出現(xiàn)了大于振型分解反應(yīng)譜法的現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題在SATWE中采用了地震力放大系數(shù)的方法進(jìn)行解決，這部分樓層配筋計(jì)算據(jù)此進(jìn)行。5結(jié)語(yǔ)工程根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行恰當(dāng)?shù)呐浣顦?gòu)造，保證了結(jié)構(gòu)的整體性能。根據(jù)甲方的經(jīng)濟(jì)分析，本工程標(biāo)準(zhǔn)層

13、含鋼量為35kgm2。結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用概念設(shè)計(jì)原則，既可以保證結(jié)構(gòu)的安全適用，還可以做到經(jīng)濟(jì)合理。項(xiàng)目SATWEETABS周期，ST13.153.03T22.942.73Tt2.161.85周期比TtT10.690.61地震作用基底總剪力（kN），X向76378258基底總剪力（kN），Y向79509110最大層間位移角，X向1152511467最大層間位移角，Y向1166111936最大位移比，X向1.121.07最大位

14、移比，Y向1.121.07風(fēng)荷載最大層間位移角，X向1181012254最大層間位移角，Y向1227313195多層輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)住宅是近年來(lái)我們國(guó)家快速發(fā)展的新型建筑體系，也是目前國(guó)內(nèi)住宅研究和開(kāi)發(fā)的方向。但是它的設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和常用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不為設(shè)計(jì)者所熟悉，因此多層輕鋼住宅示范樓的設(shè)計(jì)與施工是推廣這種新型體系的最好方式。本文結(jié)合目前多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展歷史以及優(yōu)勢(shì)等方面進(jìn)行了介紹，并對(duì)多層輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)付提出了自

15、己的看法。一、輕鋼住宅在我國(guó)的發(fā)展我國(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展歷史，雖然起步并不晚，主要由于經(jīng)濟(jì)與技術(shù)、觀念意識(shí)、設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范的原因使得多層輕鋼住宅的發(fā)展受到制約及限制，我國(guó)建筑中采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比例還不到5％。近幾年，國(guó)家加強(qiáng)了對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅的政策指導(dǎo)和支持，鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)日益發(fā)展，已經(jīng)具備了發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的條件。由于采用“工廠化制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝”的施工方式，大大縮短了建筑周期，而且抗震性能好，免除了燒磚燒瓦對(duì)土地的破壞。目前我國(guó)鋼結(jié)

16、構(gòu)年產(chǎn)值約為600億元，正以年均25%左右的幅度增長(zhǎng)。中國(guó)鋼鐵工業(yè)的產(chǎn)量已居于世界前列，但鋼材在建筑業(yè)的使用比例遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。二、多層輕鋼住宅的優(yōu)勢(shì)輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅的建造技術(shù)是在北美式樣木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的基礎(chǔ)上演變而來(lái)的，經(jīng)過(guò)百年以上的發(fā)展，已形成了物理性能優(yōu)異、空間和形體靈活、易于建造、形式多樣的成熟建造體系。過(guò)去我國(guó)大量開(kāi)發(fā)的是以小開(kāi)間磚混結(jié)構(gòu)為主的住宅。這種住宅體系由于使用實(shí)心粘土磚，浪費(fèi)土地資源，建筑物自重大，對(duì)抗震不利。另

17、一方面，由于結(jié)構(gòu)體系自身的限制，住宅平面布局多為封閉式的小開(kāi)間，不能適應(yīng)不斷變化的居住模式的要求。與傳統(tǒng)住宅相比，多層輕鋼住宅具有明顯的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，日益受到重視。多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢(shì)有：（一）自重輕，抗震性能好。采用高效輕型薄壁型材，構(gòu)件截面特性優(yōu)良，相對(duì)承載力高，受力性能良好，整體剛度大，抗震性能好，可以大量節(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低基礎(chǔ)，運(yùn)輸和安裝費(fèi)用。因此，對(duì)地震區(qū)，地質(zhì)條件差和運(yùn)輸不便的地區(qū)，其優(yōu)越性更為明顯。（二）外形美觀

18、，建筑造型簡(jiǎn)潔，豐富，構(gòu)件截面尺寸小，凈使用面積增加。鋼材強(qiáng)度高，可以提供較大的柱網(wǎng)布置；當(dāng)考慮樓板的組合作用，使用組合梁或扁梁時(shí)，可以增加凈高。這種開(kāi)放式住宅既為建筑師提供設(shè)計(jì)的回旋余地，又為住戶提供了靈活分隔室內(nèi)空間的可能。（三）供貨迅速，安裝方便，可以比混凝土結(jié)構(gòu)至少縮短一半工期。在當(dāng)前貸款利率高的金融形式下，早投產(chǎn)，早回收投資，這對(duì)于降低工程總造價(jià)，增加投資效益幅度是十分重要的。（四）干法施工，裝備化程度高，建設(shè)快速，高效，質(zhì)量

19、有保證。輕鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)和使用的過(guò)程中能源與原材料消耗低，建筑垃圾少，粉塵少，噪音低，具有很高的可重復(fù)使用性和可循環(huán)性，因此是一種綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)。三、我國(guó)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅面臨的一些問(wèn)題在輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的建筑設(shè)計(jì)理念上，我國(guó)同國(guó)外有明顯差距。目前，我國(guó)的輕鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)仍然執(zhí)行現(xiàn)行的各種建筑規(guī)范，與混凝土建筑沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。但其建筑理念由于使用材料的特殊性，確有與混凝土不同的地方，進(jìn)而使其建筑表現(xiàn)出多種差別。（一）缺乏有針對(duì)性的鋼結(jié)構(gòu)住宅規(guī)范我國(guó)的

20、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是針對(duì)幾十年來(lái)大量使用的結(jié)構(gòu)體系編制的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系此前在我國(guó)屬于技術(shù)空白所以不能滿足我國(guó)現(xiàn)行強(qiáng)制性規(guī)范的某些條文不足為奇。我國(guó)《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》基本上不考慮用厚度2毫米以下的鋼材制作主要承重構(gòu)件對(duì)于國(guó)外大量采用的壁厚0.8～1.6毫米的鍍鋅輕鋼龍骨承重體系我們既缺乏對(duì)其受力狀況和結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的理論分析也缺乏相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)這就使得輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在我國(guó)尋找不到有針對(duì)性的規(guī)范作為依據(jù)。這種與國(guó)內(nèi)規(guī)范不銜接的狀況