結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

王 賀 吳俞辛 薛明琛

(聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

王 賀 吳俞辛 薛明琛

(聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252059)

對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的概念及原則作了分析，并對(duì)其涉及到的設(shè)計(jì)方案、結(jié)構(gòu)布置、截面配筋等方面問題作了研究，說明了概念設(shè)計(jì)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性。

概念設(shè)計(jì)，風(fēng)荷載，結(jié)構(gòu)體系，抗震設(shè)計(jì)

1 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的概念及原則

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是先于建筑工程的初步設(shè)計(jì)，是根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)等所形成的基本設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)的總體布置的過程。它是一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念、思想、原則,應(yīng)結(jié)合具體情況創(chuàng)造發(fā)揮。這些原則大體有八條：全面考慮原則(也成三維構(gòu)思原則)、功能協(xié)調(diào)原則、實(shí)際出發(fā)原則、精益求精原則、減輕自重、空間作用原則、合理受力原則、優(yōu)化選型原則[1]。

2 高層建筑的風(fēng)荷載

風(fēng)作用于建筑物的風(fēng)壓是隨著風(fēng)速、風(fēng)向的紊亂變化而不停地改變著的。通常將風(fēng)壓作用的平均值視作穩(wěn)定風(fēng)荷載，實(shí)際風(fēng)荷載在平均風(fēng)壓上下波動(dòng)。這種波動(dòng)風(fēng)壓對(duì)建筑物的動(dòng)力效應(yīng)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略，可以采用加大穩(wěn)定風(fēng)荷載的辦法來考慮，即在按荷載規(guī)范求得的一般風(fēng)荷載值上乘以大于1的風(fēng)振系數(shù)。風(fēng)振系數(shù)的大小與高層建筑的自振特性有關(guān)，包括高度、高寬比等。風(fēng)對(duì)高層建筑的作用不僅是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性提出要求，而且還有因風(fēng)引發(fā)的其他構(gòu)件振動(dòng)效應(yīng)。因此，在高層建筑的抗風(fēng)力設(shè)計(jì)中必須考慮下列因素：1)風(fēng)振系數(shù)的風(fēng)荷載和重力荷載共同作用下，結(jié)構(gòu)體系的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求；2)起伏的風(fēng)荷載可能對(duì)結(jié)構(gòu)整體和連接以及小構(gòu)件(如玻璃幕墻)等引起動(dòng)力波動(dòng)荷載和產(chǎn)生疲勞；3)引起住戶不舒適的搖擺頻率和幅度，以及聽覺上的干擾；4)過度的側(cè)向位移可能引起隔墻、外墻的開裂，機(jī)械系統(tǒng)的失調(diào)，門的不閉合或產(chǎn)生永久變形；5)高層建筑周圍的近風(fēng)氣候?qū)β飞闲腥说挠绊懙取Ｔ诟邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中把風(fēng)荷載化為等效水平荷載是容易的，但風(fēng)的作用是復(fù)雜的，對(duì)于很高的高層建筑要采用模型在風(fēng)洞中做實(shí)驗(yàn)來確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所取得風(fēng)荷載[2]。

3 正確選擇合理的結(jié)構(gòu)體系

高層建筑結(jié)構(gòu)體系有：框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻結(jié)構(gòu)體系、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)或框架—筒體結(jié)構(gòu)及板柱—剪力墻板體系和框筒結(jié)構(gòu)體系等幾種結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)體系：通過合理的設(shè)計(jì)可獲得良好的延性，有較好的抗震性能。但是由于框架結(jié)構(gòu)層間變形較大，在地震區(qū)容易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。剪力墻結(jié)構(gòu)體系：剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，結(jié)構(gòu)自重較大。通常改進(jìn)樓板做法形成底部大空間剪力墻結(jié)構(gòu)或跳層剪力墻結(jié)構(gòu)。框架—剪力墻結(jié)構(gòu)：在框架中設(shè)置剪力墻，兩者公共抵抗水平荷載，剪力墻承擔(dān)大部分水平力，框架則承擔(dān)豎向荷載，提供較大的使用空間的同時(shí)承擔(dān)少部分水平力。相對(duì)于框架結(jié)構(gòu)剛度和承載力都大大提高。高層建筑中水平荷載和地震作用將成為控制因素。高層建筑需要較大承載力和剛度。選擇高層建筑結(jié)構(gòu)體系時(shí)滿足下列要求：1)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和地震作用傳遞途徑；2)應(yīng)布置多道抗震防線，防止因部分結(jié)構(gòu)或管配件破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞；3)兩主軸方向的動(dòng)力特征相近；4)對(duì)于相對(duì)薄弱部位，要采取措施提高抗震能力。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)

1)高層建筑結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)的定義。根據(jù)GB 50011—2010，建筑抗震概念設(shè)計(jì)指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等形成的基本原則和設(shè)計(jì)思想進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。2)高層建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則。結(jié)構(gòu)的布置應(yīng)規(guī)則、對(duì)稱、受力明確力求簡(jiǎn)單、傳力合理、途徑不間斷，并應(yīng)具有良好的整體性。還應(yīng)滿足三水準(zhǔn)兩階段的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和四強(qiáng)四弱的原則，即：強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)弱桿、強(qiáng)壓弱拉。3)高層建筑抗震概念設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的抗震構(gòu)造要求。a.建筑平面設(shè)計(jì)目標(biāo)是使建筑物對(duì)稱于兩個(gè)軸線，不僅指建筑物本身，而且墻體、柱網(wǎng)甚至洞口布置都宜對(duì)稱。體型不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)，可在適當(dāng)部位設(shè)置防震縫，形成多個(gè)較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。b.選擇合理的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，將柱、墻、桁架類構(gòu)件結(jié)合成整體的體系或單元；也可采用兩種體系的組合，稱為雙重支承結(jié)構(gòu)體系。注意結(jié)構(gòu)體系的布置，使它們的剛度中心(即結(jié)構(gòu)體系所受水平剪力的合力作用點(diǎn))接近整個(gè)建筑物的質(zhì)量中心(即建筑物所受水平力的合力作用點(diǎn))。若兩者相距甚遠(yuǎn)，會(huì)產(chǎn)生沿建筑物高度分布的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，它們?cè)谠O(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)是不能忽略的。c.樓蓋結(jié)構(gòu)在水平地震作用下像一個(gè)水平深梁，樓板是它的腹板可以抵抗水平力產(chǎn)生的剪力，周邊裙梁或墻是它的翼緣可以抵抗水平力產(chǎn)生的彎矩。地震運(yùn)動(dòng)引起基礎(chǔ)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是引起高層建筑震害的重要原因，因此要減小高層建筑基礎(chǔ)各部分之間以及基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)之間相對(duì)變形的可能性。

5 高層建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)案例分析

上海金茂大廈高420.5 m(由地平面算至尖塔頂尖)，建筑面積約29萬m2，占地約2.3萬m2，是當(dāng)前世界上較高的型鋼和鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑。它地下3層，地上主體88層。大樓平面為正八角形，外觀上因有橫線條而呈13層高狀。

金茂大廈的主要抗側(cè)力體系是用一個(gè)正八角形厚壁混凝土筒體與外伸鋼桁架和四邊外側(cè)正中處的八個(gè)巨型鋼―混凝土組合柱相連接所形成的組合結(jié)構(gòu)體系，也是一種核心筒外伸桁架結(jié)構(gòu)體系。在內(nèi)筒和大柱子之間設(shè)置了3道伸臂桁架，位于24層～26層、51層～53層以及85層～87層，伸臂桁架是2層高的鋼桁架。87層以上設(shè)置了空間鋼桁架，一方面承受屋頂設(shè)備層的重力荷載，一方面加強(qiáng)了85層～87層的伸臂，保證了核心筒和外柱共同工作。設(shè)置伸臂后，大大增加了結(jié)構(gòu)剛度，減小了位移。該體系有著較大的有效寬度來抵抗側(cè)向荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，并采用使巨型柱承受較多重力荷載的構(gòu)造來減少傾覆力矩對(duì)巨型柱的上舉作用，而且正八角形筒體還具有優(yōu)越的抗扭能力。

樓蓋采用組合樓板，鋼梁間距為4.4 m，樓板是76 mm厚壓型鋼板上現(xiàn)澆82.5 mm厚混凝土。

金茂大廈設(shè)有高承載力的樁基體系，由直徑0.9 m，2.2 cm厚的鋼管樁組成，樁要打入地下84 m深處的密實(shí)砂土層內(nèi)，單樁設(shè)計(jì)承載力約為7 340 kN。

金茂大廈這個(gè)在上海軟土地基上建造的超高層建筑結(jié)構(gòu)，在它的結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中要考慮下列重大的設(shè)計(jì)和施工問題：1)主要抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系——厚壁混凝土筒體和巨型組合柱的組合結(jié)構(gòu)體系，作為超高層建筑結(jié)構(gòu)較為有效的結(jié)構(gòu)體系，要注意的是核心筒和巨型柱的位置、外伸桁架的做法和位置、它們之間的連接方式，以及立柱豎向壓縮量差異問題的構(gòu)造處理(即各層樓蓋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和布置方案)。2)為了保證金茂大廈具有一定的可靠度，設(shè)計(jì)中采取了以下做法：a.地基加固，大廈所處的地基條件甚差，樁基樁底達(dá)到的深度為我國(guó)以往未曾達(dá)到的深度，約地面下87 m。實(shí)際鋼管樁最深處為地下84 m。b.結(jié)構(gòu)中空，56層以上的部分，外圈是客房，里面是圓筒空間，這樣設(shè)計(jì)有利于提高抗震和抗風(fēng)能力。c.加箍固化，3道伸壁桁架如同3道“巨箍”，將結(jié)構(gòu)牢牢捆綁住，有效地控制了大廈的平衡。3)預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的控制因素——該樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由風(fēng)力作用下的動(dòng)力性能控制的。由大廈固有質(zhì)量、剛度和阻尼特性求得對(duì)主軸的基本平移周期為5.7 s，扭轉(zhuǎn)周期為2.5 s[3]，按此算得的10年重現(xiàn)期加速度和一年重現(xiàn)期加速度均在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可接受范圍內(nèi)。

6 結(jié)語(yǔ)

概念設(shè)計(jì)是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路，它從宏觀上來考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體方案，并充分發(fā)揮各基本構(gòu)件的性能，通過有機(jī)的結(jié)合而達(dá)到“1+1≥2”的效果。本文通過對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)受力和抗震設(shè)計(jì)的分析，闡明了概念設(shè)計(jì)在工程中的重要性。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)在工程中的重要性。在設(shè)計(jì)中應(yīng)特別重視結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，并用概念設(shè)計(jì)的方法來優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中不能陷于只憑計(jì)算的誤區(qū)，要把握全局，全面考慮建筑工程設(shè)計(jì)問題。

[1] 羅福午，張慧英，楊 軍.建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)及案例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] [美]B.S塔拉納特.高層建筑鋼—混凝土組合設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[M].羅福午，譯.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.

[3] 呂西林.上海地區(qū)超高層建筑振動(dòng)特性實(shí)測(cè)[J].建筑科學(xué)，2001(2)：43-44.

The conceptual design in structure design

Wang He Wu Yuxin Xue Mingchen

(ArchitecturalEngineeringCollege,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

This paper analyzed the concept and principle of structure conceptual design in high-rise building structure design, and researched the problems of structure scheme, structure layout, section reinforcement and other aspects, indicated the importance of conceptual design in high-rise building structure design.

conceptual design, wind load, structure system, seismic design

2015-03-04

王 賀(1991- )，男，在讀本科生； 吳俞辛(1992- )，男，在讀本科生； 薛明琛(1975- )，女，碩士，講師

1009-6825(2015)14-0045-02

TU318

A