高层建筑结构优化设计案例分析

结构 抗震
文章编号:1009 6825(2010)36 0040 02
高层建筑结构优化设计案例分析
收稿日期:2010 09 07
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:TU 318
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30000m 2,高度达到94.5m 。

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。

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On urban constructi on i n Chi nese and W estern countries i n feudal period
W U Ji n g xing Abstrac t :T ak i ng K a ifeng city i n south Song dynasty and M ount Sa i nt M iche l i n F rance as the ex a mp les ,the pape r undertakes the co m par ison and analysis fro m t he urban mo rpho l ogy ,t he road syste m s ,the tour is m and rest system s ,and the urban types and scales ,and su m s up t he con structi on character i stics for t he c iti es i n Chinese andW estern countries i n f euda l per i od .K ey word s :feuda l soc i e ty ,plate layout ,urban mo rpho l ogy ,touris m and rest sy stem
40 第36卷第36期2010年12月
山
西建筑S HANX I ARCH I TECTURE
Vo.l 36No .36Dec . 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T g =0.25s ,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0.40kN /m 2,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PK P M 软件中的S ATW E 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150m 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150m ~250m 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:
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Case analysis on structural opti m i zati on desi gn of hi gh rise buil di ngs
SU Y i ng she
Abstrac t :W ith a hi gh rise building as an ex a m ple ,this paper carr i es on opti m a l se l ection for structura l syste m sche m e .T hrough soft w are ca lcu lati on and econo m ic d i scussi on ,it co m pares and ana l yzes t w o structural systems of fra m e tube struct ure and sheari ng w all structure ,and fi nall y se l ects fram e tube structure syste m as the m a i n structure o f the h i gh r ise buil d i ng .K ey word s :h i gh rise bu ildi ng ,structura l design ,op ti m a l design
41 第36卷第36期
2010年12月 苏迎社:高层建筑结构优化设计案例分析。