高层建筑结构优化设计案例分析.pdf

结构 抗震 文章编号 10096825 2010 36004002 高层建筑结构优化设计案例分析 收稿日期 20100907 作者简介 苏迎社 1962 , 男, 硕士, 高级工程师, 长安大学工程设计研究院, 陕西 西安 710064 苏 迎 社 摘 要 以某高层建筑为例, 对结构体系方案进行了优化比选, 并通过软件计算和经济性论证, 对框架 筒体结构和剪力 墙结构这两种结构体系进行了较为详细的比较分析, 最后选择了框架 筒体结构体系作为本大楼的主体结构。 关键词 高层建筑, 结构设计, 优化设计 中图分类号 TU318文献标识码 A 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 30 000 m2, 高度达到 94 . 5 m。 针对结构体系的选择, 设计院进行了优化设计。以下主要就方案 的优化进行说明。 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 中国封建时期城市以都城为代表, 多方正规则布局, 中轴线 对称, 宫殿居中, 左祖右社, 前朝后市, 旁三门, 形成一套严整的规 划制度, 尽管朝代更替不断, 国家时分时合, 但这一套制度始终得 到继承, 上至都城, 下到府城、 州、 县城, 所有的政治中心一般都按 这一制度布局, 差别只是城市规模大小不同、 功能区多少不同。 4. 2 游憩系统比较 封建时期西欧城市游憩系统由广场系统、 神苑系统和私家庭 院系统组成, 广场系统是城市游憩系统的主体, 教堂和市政厅广 场位居城市的中心位置, 是市民集会、 狂欢和从事各种文娱活动 的中心场所, 是城市中公众活动最活跃的地方。作为统治者独享 的园林景观始终在城市游憩系统中居于主导地位。 与西欧封建时期城市明显不同的是中国封建时期城市没有 广场系统, 都城皇家园林数量多、 面积大, 在城市游憩系统结构中 居于主导地位, 其次是私家园林, 贫民百姓只能从事市井游憩活 动。皇家园林、 私家园林城内、 城外一般都有分布, 城内一般与住 宅结合, 道路融交通功能、 游憩功能为一体, 城外一般分布于风景 优美的山前地带。宋代以后城市中出现了通宵营业的夜市和晓 市以及集中各种杂技、 游艺、 茶楼、 酒馆的瓦子, 城内流动人口大 量增加, 商业繁荣, 贫民百姓游憩生活有所丰富。 由于东西方文化的差异, 使封建时期的中国与西欧城市游憩 活动明显不同, 中国城市游憩活动多平静少刺激、 多被动少主动、 多静态少动态, 多用心少用体, 古典园林在方寸之地 模山范水 ∀, 塑造假山假水的游憩环境, 为心游提供舞台背景, 让人心游宇宙, 达到天人合一的境界, 而西欧城市多刺激性、 参与性的娱乐活动 如竞技、 斗兽、 跑马等, 体现天人对立的价值观。 4. 3 城市类型与城市发展规模 城市发展受多种因素制约, 从中国与西欧封建时期城市的比 较来看, 政治体制与土地制度是影响城市发展两个很重要的因素。 从城市形态和结构来看, 西欧和中国封建时期城市基本上都 可分两类, 一类是比较有规则的, 中国以都城为代表, 如宋开封。 西欧以商业交通型城市为代表; 另一类是不规则、 蛛网状的城市 结构, 中国的工业、 商业贸易城市都属此类, 如纺织中心城市松 江、 杭州等。西欧以城堡型或要塞型城市为代表, 如卡卡松等。 而事实上每一类城市都有规则和不规则两个方面, 有的中心规 则, 外围不规则, 有的中心不规则, 外围规则, 这种现象说明西欧 与中国封建时期城市沿着两条路线并行发展, 一条是有意识的布 局, 以人的意志为主导的发展, 另一条是无意识的自组织, 以经济 因素为主导的发展, 这两条路线在城市发展的历史长河中时分时 合, 这称为城市发展有序和无序的交替更迭, 这才是城市发展的 历史规律。说明了无论东西方社会政治制度和经济制度有何不 同, 作为人和经济的集聚体 城市有其共同的发展规律。 参考文献 [ 1] 潘谷西. 中国建筑史 [M ]. 北京 中国建筑工业出版社, 2006. [ 2] 李合群. 再论北宋定都开封 兼与宋长安和洛阳之比较 [ J]. 河南大学学报 社会科学版 , 2010, 50 3 1516. [ 3] 汪德华. 略论古代中国城市规划思想发展 [ J]. 城市规划汇 刊, 1992 3 3738. [ 4] 李 坤, 刘四海, 迟默然. 浅析东西方建筑 [ J]. 山西建筑, 2009, 35 6 6061. On urban construction in Chinese andW estern countries in feudal period WU Jingxing Abstract Taking Kaifeng city in south Song dynasty andM ountSaintM ichel in France as the exa mples ,the paper undertakes the co mparison and analysis fro m the urban morphology ,the road syste ms ,the touris m and rest systems , and the urban types and scales ,and sums up the con struction characteristics for the cities in Chinese andW estern countries in feudalperiod . K ey words feudal society , plate layout ,urban morphology ,touris m and rest system 40 第 36卷 第 36期 2 0 1 0年 1 2月 山西建筑 SHANX I ARCHI TECTURE Vo.l 36No . 36 Dec . 2010 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 3. 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 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. 25 s , 水平地震影响系数的最大 值 m ax 0. 4, 放大系数 2 . 25 。 工程所在地区基本风压为 0. 40 kN /m2, 地面粗糙为 D 类, 风 压的体形系数、 风压高度变化系数以及风振系数都按 GB 50009 2001建筑结构荷载规范的规定来确定, 楼面活荷载标准值按现行 荷载规范进行取值。 3. 2 计算软件 结构计算软件采用了 PKP M 软件中的 SATWE系列, 目前该 软件在国内的普及率很高, SAT W E系列软件也是专门为多、 高层 建筑结构设计的一种有限元分析软件, 它能非常精确的计算分析 各类结构形式的建筑受力。 3. 3 计算分析 高层建筑由于受到水平力的作用, 侧向位移比多层要大很 多, 因此, 侧向力是结构考虑的重点。研究表明, 若结构的侧向位 移过大就会导致结构附加弯矩的产生, 严重影响建筑的舒适性, 有的甚至会造成结构破坏。结构设计时, 主要考虑建筑结构的强 度、 刚度、 稳定性三个基本指标。一般采用弹性设计方法, 即在正 常使用情况下, 建筑结构构件处于弹性受力状态中, 结构具有较 大的刚度, 对此, ∃高规对高层建筑的层间最大位移以及层高之 比做出了如下的规定 1当高层建筑的高度不大于 150 m时, 层间位移角不宜大于 表 4. 6. 3的限值; 2当高层建筑的高度大于 250m 时, 结构楼层的层间位移角 不宜大于 1/500; 3当高层建筑高度介于 150 m 250 m之间时, 结构楼层的 层间位移角按上述 1, 2的限值要求, 线性插值来取用。 从软件计算分析可得, 这两种结构都能满足我国规范的要 求。建筑为框 筒结构时, 其自振周期要比采用剪力墙结构的要 长, 层间位移以及侧向位移都要大。由此看出, 剪力墙结构的侧 向刚度更大些。但是, 结构设计不能完全只看刚度, 还需要综合 考虑其他方面的因素。 高层建筑主要考虑地震和风荷载作用, 在两者共同作用下, 结构的最大层间位移都是在第 16层出现, 而且层间位移变化的 趋势是一致的, 都是比较均匀的。框架 筒体结构, 在水平作用 力作用下, 结构的侧向变形主要是以弯曲变形为主, 其侧移曲线 与弯曲型杆件的变形是极为相近的。框架 筒体结构中的框架 和核心筒, 两者是通过梁和楼板相连的, 因此, 两者的侧向位移是 相近的。从建筑结构的设计以及满足变形要求情况来看, 它比纯 框架或纯剪力墙结构都更具有优势。 由于结构的整体刚度很大, 整个建筑的侧向位移是很小的。 研究表明, 当建筑采用纯剪力墙结构, 且建筑层数不多, 建筑高宽 比小于 1的时候, 在水平荷载作用下, 建筑墙体的变形主要以剪 切型为主。而当建筑的高宽比大于 4时, 整个墙体在水平荷载的 作用下, 变形主要以弯曲变形为主。当建筑的高宽比值介于 1 4 之间时, 建筑墙体存在弯曲变形和剪切变形。 可以看出, 对于高层建筑, 只要结构设计合理, 这两种不同类 型的结构体系都可以具备很好的刚度, 足够抵御地震和风荷载的 作用。 从上面分析可以看出, 20层 30层的小高层建筑, 采用框 架 剪力墙结构或框架 筒体结构优势会更加明显。其主要原 因就是 20层 30层的小高层建筑如果采用剪力墙结构, 则剪力 墙的轴压比就会比采用框架 剪力墙或框架 筒体结构时的竖 向构件的轴压比低很多, 这样势必会造成混凝土和钢筋的浪费, 同时还会增加结构的自重, 工程费用也要增加不少。因此, 对于 20层 30层的小高层建筑, 采用剪力墙结构体系不是最好的方 案, 但是, 随着建筑高度的不断增加, 剪力墙结构体系的优势就会 越来越明显。 参考文献 [ 1] GB 500112001, 建筑抗震设计规范 [ S]. 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