浅谈高层建筑结构优化设计

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1、浅谈高层建筑结构优化设计摘要：目前，城市建设目新月异，各种高层建筑如雨后春笋。在高层建筑结构设计中，如何做到结构设计优化，使设计的整体结果分布更均匀、设计更合理是十分重要的课题。本文是作者结合某高层建筑设计实例，对该工程结构优化设计一些问题进行探讨。关键字：高层建筑结构设计优化1工程概况某高层建筑设计便用功能要求集展销、外贸、餐饮、办公、居住和旅游于一体.属综合性公共建筑。主楼占地面积9483m2,总建筑面积19737m2,主楼高73.6m,地面以上19层、地下1层，主楼建筑面积为12091m厶裙楼高3层。建筑面积为7646m2o

2、建筑平面如图1所示。1」结构承重体系设计综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求以及主楼部分的抗侧移设计要求。裙房结构承重休系采用钢筋混凝土框架结构形式，主楼采用框架一剪力墙承重结构体系。本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中剪力墙主要承担水平作用，框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平而形状基本上为正方形楼梯均设置在角部位置，为提高主楼结构的抗扭能力，剪力墙结合楼电梯间设在主楼结构的两个对角位置，具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值，由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。1.2建筑缝的处理设计木建筑由主楼和裙房两部分

3、组成。在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较大、结构有效重量大，裙房部分高度较低.因此二者问需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝。为避免书楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝,给裙房屋顶防水处理带来困难.本建筑采用“抗"的方法在结构分析时.将主楼和裙房视为一个整休进行抗侧力设计计算：对于沉降缝，结合主楼需设一层地下室的建筑要求，设计中将主楼基础设计成桩基础。而将裙房基础设计成柱下条形基础，通过两类基础的沉降变形计算，相应调整和消除主楼和裙房两部分的不均匀沉降差。施工时，在主楼和裙房连接部位预留1.5m宽后浇带。通过施工手段局部

4、调整高低两部分间的沉降差。1.3基础设计根据《工程地质勘察报告》捉供的场地工程地质条件。并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点，主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础.以提高主楼结构的整体稳定性。降低主楼部分的沉降变形。裙房部分釆用柱下条形基础通过修工条形基础的宽度来调整基底反力.进一步控制裙房部分的基础沉降变形。使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下，能产生基本上一致的基础沉降变形量。2结构优化设计策略钢筋混凝土框架一剪力墙结构是高层建筑结构屮最常采用的承载体系之一，它同时具有框架结构建筑平面布置灵活。能获得大空间，建筑立

5、面易于处理,以及剪力墙结构抗侧移刚度人、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下，具冇较纯框架和纯剪力墙结构更为冇利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框一剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系，力学分析难度较大•其优化设计就更为复杂和难以实现。所以，尽管国内外学者对此做过许多冇益的尝试•但框一剪结构的优化设计还存在很多具有重大工程意义和科学意义的课题。2」框架结构的分部优化设计技术钢筋混凝土框架结构屈于具有多个多余约束的超静定结构，其荷载效应不仅与外荷载大小有关。述与结构构件的材料特征、几何构造特征冇关。钢筋混凝土框架

6、结构的分部优化设计。即是在结构整休内力分析完成后，根拯梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果，曲此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用卜•内力分布特征发生变化。各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化。据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程，计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果.但通常能给出工程实用的满意结果。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：(1)初始选型：根据结构平面、立面布

7、置及建筑物设计使用功能，分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线，并考虑施工因素，归并框架梁、柱的类型，初选梁柱的几何尺寸；(2)结构分析：按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载，对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果，将截面尺寸相同的构件的控制截面内力，根据其大小进行分类，并确定每-•类构件的设计控制内力；(3)截而优化设计：针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计。得出优化约束条件下的结构儿何构造特征和配筋特征的优化设计结果，从而构成新的优化意义上的设计结构；(1)收敛性判断：在工程精度意义

8、上选取一个较小的数值，作为检验结构收敛性的条件，进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的。可以转入下一步的可行性判断，否则转冋第(2)步重新进行结构分析、优化设计；(2)可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可