浅析高层建筑结构的优化设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅析高层建筑结构的优化设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：文章分析了高层建筑结构的设计特点，以高层建筑结构设计理论为基础，以现行的国家相关规范标准为根据，对高层建筑结构经济性进行了深入的分析研究，得出了一些具有实用价值的结论，对高层建筑的优化设计具有很大的实用意义。

关键词：小高层建筑；结构设计；钢筋混凝土；性能

Abstract: This paper analyzes the characteristics of high-rise building structure design, the design of high-rise building structure theory as the basis, to the current relevant national standards as the basis, undertook thorough analysis studies on the structure of high-rise building economy, and draws some valuable conclusions for high-rise building, optimization design is very practical meaning.

Key words: high-rise building; structure design; reinforced concrete; performance

中图分类号：TB482.2文献标识码：文章编号：

1高层住宅结构设计总体指标控制

计算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中。总体指标对建筑物的总体判别十分有用。譬如说若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费；但刚度太小，结构变形太大，影响建筑物的使用。当然建议对于顶层构件可不考虑在内，否则很难满足上述指标。另外地震效应是与建筑物质量成正比,减轻房屋自重是提高结构抗震能力的有效措施.高层建筑中质量大了,不仅作用于结构上的地震剪力大,还由于地震作用倾覆力矩大,对竖向构件产生很大的附加轴力.因此,在小高层建筑房屋中,结构构件宜采用高强度材料,非结构构件和围护墙体应有用轻质材料。减轻房屋自重，既减小了竖向荷载作用下构件的内力，使构件截面变小，又可减小结构刚度与地震效应，不但能节省材料，降低造价，还能增加使用空间。

对于小高层住宅结构而言，在结构选型上应注意以下几点:

1.1结构的规则性

《抗规》、《高规》在这方面要求了相当多的限制条件，例如:平面规则性信息、竖向抗侧力、刚度变化宜均匀等，而且，《抗规》采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此，结构的规则性问题对整个结构设计是很重要的。

1.2上部结构嵌固端的设计

由于小高层住宅一般都带有一层或一层以上的地下室或人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置，因此，我们在嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性等问题上都要认真考虑，不得忽视。

1.3短肢剪力墙的设计

由于目前的住宅内部空间以及美观的要求，以及建筑造价经济合理的要求，从而对结构体系的要求也随之提高，剪力墙结构(含部分短肢剪力墙)就是适应建筑要求而形成的特殊的剪力墙结构。剪力墙结构(含部分短肢剪力墙)能够较好地完成建筑要求，并且较为经济合理

2 性能分析

2.1 抗震性能分析

对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构体系满足刚度要求。但就使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，结构自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高;同时也增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架――剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求;同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。

2.2 经济性比较

我们通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混凝土住宅结构单位面直接费相差不是很多，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架――剪力墙结构的单位面积直接费最小，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费比框架――剪力墙结构的单位面积直接费高出12.5%，比大开间剪力墙结构的单位面积直接费高出7.3%，大开间剪力墙结构的单位面积直接费比框架――剪力墙结构的单位面积直接费高出4.9%。三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。单位面积造价框架――剪力墙结构的最小，大开间剪力墙结构的次之，短肢剪力墙结构的会稍微较大些，然而三种结构体系直接费最大相差不到45元/。

3小高层住宅钢筋混凝土结构设计的要点

3.1 水平荷载逐渐成为钢筋混凝土结构设计的控制因素

在低层住宅中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着钢筋混凝土结构设计;而在小高层住宅中，尽管竖向荷载仍对钢筋混凝土结构设计产生着重要影响，但水平荷载将成为控制因素。对某一特定建筑来说，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，其数值是随动力特性的不同而有较大幅度的变化。

3.2 轴向变形不容忽视

对于采用框架――剪力墙体系的小高层住宅，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，这就使得中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到很大的数值，其后果相当于连续梁中间支座产生沉陷，使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。

3.3 侧移成为钢筋混凝土结构设计的控制指标

与低层住宅不同，结构侧移己成为小高层住宅钢筋混凝土结构设计的关键因素。随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，结构的顶点侧移一般与房屋高度H 的四次方成正比。在设计小高层住宅时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要有足够的抗侧移刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移控制在一定的范围内。这是因为:

a.过大的侧移会使人不舒服，影响房屋的正常使用。

b.过大的侧移会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形而导致不能正常运行。

c.过大的侧移会因P -效应使结构产生附加内力，甚至因侧移与附加内力的恶性循环导致建筑物的倒塌。

3.4 结构延性是钢筋混凝土结构设计的重要指标

相对于低层住宅而言，小高层住宅更柔一些，地震作用下的变形就更大一些。为了使结构在进入塑性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。

4小高层住宅钢筋混凝土结构设计策略

4.1 优化设计的方法

当前，在无成熟的优化设计分析软件的情况下，主要是应用小高层住宅结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案，这是在结构设计中最常用的也是最简单的优选或者说是优化方法。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。对于同一小高层住宅方案，可以有许多不同的结构(包括基础)布置方案;确定了结构布置的小高层住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法;分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的;小高层住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断。

5结语

总之，高层设计时，做好概念设计，根据房屋的建造地点，平立面体形，层数多少，在满足安全性、耐久性与舒适性要求的前提下采用合理的结构体系。在构件设计中精打细算，严格执行规范构造要求对于整个建筑物，保证安全，降低造价影响巨大，这也是我们在今后设计中不断提高及改进的。

参考文献

[1]沈蒲生《楼盖结构设计原理》科学出版社。2003.12

[2]彭新宣,吴朝林《完善基础设计管理的几点建议》《建筑设计管理》,2001,(04)

[3]李建,成笑路,李伟.《浅谈小高层住宅的建筑特点》《中州煤炭》,2001,(06)