关于建筑结构设计优化的研究

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【摘 要】随着我国社会经济的高速增长，促进了城市化进程步伐，高层建筑目前在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，而建筑结构设计方面的变化也越来越多，很多新兴的结构设计方案以迅猛的速度呈现在我们的城市建设中。笔者结合设计过程中的经验,就高层住宅建筑结构设计中遇到的一些问题,介绍了高层住宅结构设计中基础形式的选择、限制结构的扭转效应、转角窗构造处理等,以满足结构的安全性、可靠性的要求。

【关键词】高层住宅；结构设计；优化

1 引言

在土地资源日益趋紧的今天,高层建筑有利于节约用地、解决住房紧张、减少市政基础设施和美化城市空间环境。住宅建筑结构设计中采用的现浇剪力墙结构具有整体性好,侧向刚度大,抗侧力性能好的特点,并且没有梁、柱等外露与凸出,便于房间内部布置,隔音效果好,施工周期短等优点,所以现在许多高层住宅大多采用此结构体系。

2 高层住宅建筑结构设计的基本要求

2.1 满足安全性和耐久性要求

住宅实行商品化后,应成为广大住户的耐用消费品,使用寿命长是区别于其他消费品的最大特点。因此,结构安全性和耐久性是住宅结构设计的最基本的要求。在结构体系的选择,材料的选用,都应该有利于抗风抗震,以及在使用寿命期间维修改造的可能性。

2.2 满足舒适性要求

住宅建筑设计应该为住户起居的舒适性要求提供条件,例如,多种户型,灵活分隔室内空间,人居的热、光、声的环境等要求,为此结构设计应较好地配合建筑和机电专业,尽可能在居住空间中避免露柱露梁的压抑感和采用隔音较差的分隔墙材料,使室内简洁明快,隔声较好,给居住者创造一个幽静舒适的环境。结构方案中还应考虑住户日后改变分隔空间的可能性,当采用剪力墙结构时,宜采用大开间布置。

2.3 满足经济性要求

住宅作为商品,开发商为有利可图,要求投入少,经济效益好,购房者则要求房屋设计布局好,外观美,房价适中,质量上乘。因此,结构设计应根据房屋的建造地点、平立面体形、层数多少,在满足安全性、耐久性和舒适性要求的前提下采用经济合理的结构体系,在构件设计中应精打细算,严格执行规范构造要求,注意避免不必要的浪费。尤其在地基基础设计中更应该注意方案的经济比较,因为地基基础设计方案合理与否对房屋造价至关重要。

3 设计优化的原则

在满足结构设计现行规范和相关规定的前提下,通过大量计算和经验分析进行优化,遵循以下原则:

3.1 保证结构的安全性和正常使用;

3.2 保证结构具有合理的刚度,特殊部位应有局部加强;

3.3 可以减小的结构构件,应进行有效的核减。

4 高层住宅建筑结构优化设计措施高层住宅建筑结构设计的优化主要体现在以下几个方面。

4.1 基础形式的选择

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高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。

4.2 结构平面布置过程中通过计算限制结构的扭转效应

4.2.1 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》4•3•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》4•3•5条对最大水平位移和层间位移的要求。

4.2.2 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》4•3•5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。

4.2.3 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。

4.2.4 高层建筑平面凹入较深时构造处理。如图1所示的建筑平面凹入较深,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。

4•2•5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,常出现如图2所示的不规则楼板,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。

5 结语

结构设计没有绝对最佳的标准模式,只有通过不断地探索、比较,去寻求相对的最优。因此我们每一个结构工程师应不断地追求尽善尽美的设计思想,不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计,用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。

参考文献

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[2]张晓芬.浅析高层建筑结构设计中存在的问题[J].科技情报开发与经济. 2007 (34).

[3]高新艳,杜秀丽.钢筋混凝土结构优化设计[ J].山西建筑, 2007 (8).