高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析研究

劉宇

摘 要：高層建筑的結(jié)構(gòu)層數(shù)多，承受的荷載大，還要通過(guò)實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)保證結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性。結(jié)合高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，本文從結(jié)構(gòu)布局、單元優(yōu)化、抗震優(yōu)化三個(gè)方面提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，然后結(jié)合工程實(shí)例對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施問(wèn)題進(jìn)行了探討，為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑;混凝土結(jié)構(gòu);抗震性能

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量高層建筑得到了建設(shè)。相較于多層建筑，高層建筑具有層數(shù)多、高度大等特點(diǎn)，構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)等各方面都存在差異。對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題不夠關(guān)注，導(dǎo)致設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)被忽略，在建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)受突出地震作用和風(fēng)荷載影響的情況下，容易造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)剛度突變等不利因素。因此，還應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，從而使建筑安全得到保證。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

作為建筑工程中常用的結(jié)構(gòu)形式，混凝土結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，采用的材料以混凝土和鋼筋為主，通過(guò)合理設(shè)計(jì)能夠保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，繼而使建筑整體質(zhì)量得到保證。而在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，由于建筑高度和層數(shù)不斷增多，承受的地震作用和風(fēng)荷載也更加明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性提出了更高要求。現(xiàn)階段，高層建筑主要采用的結(jié)構(gòu)體系包含三類，分別為框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，超高層和不規(guī)則建筑則多采用框筒、束筒等結(jié)構(gòu)。目前，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在過(guò)分關(guān)注概念設(shè)計(jì)的問(wèn)題，對(duì)結(jié)構(gòu)總體布局關(guān)注度不足，一味強(qiáng)調(diào)按照規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，主要關(guān)注強(qiáng)度、變形兩方面的問(wèn)題。但實(shí)際上在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還應(yīng)加強(qiáng)整體性把握，以便使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性得到保證。未能做到從整體設(shè)計(jì)向局部設(shè)計(jì)逐步推進(jìn)，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)師缺少對(duì)建筑整體承載力、剛度等目標(biāo)的設(shè)定，繼而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)方案布置存在不合理的問(wèn)題。在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面，則存在忽視各獨(dú)立單元結(jié)構(gòu)承載力、剛度等性能的問(wèn)題。現(xiàn)代高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多變量因素，一味認(rèn)為軟件計(jì)算得到結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，導(dǎo)致選擇的建筑構(gòu)件截面過(guò)小，容易導(dǎo)致構(gòu)件在復(fù)雜因素作用下出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。此外，高層建筑需要采用剛?cè)峤Y(jié)合設(shè)計(jì)方式，而并非是一味加大結(jié)構(gòu)整體剛度對(duì)地震作用進(jìn)行抵抗。缺少多道設(shè)防，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在多遇地震下缺少足夠彈塑性變形能力和延性，繼而使結(jié)構(gòu)受到較大危害。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

2.1 合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局

結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)的問(wèn)題，在對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還要做好整體結(jié)構(gòu)方案布置。在結(jié)構(gòu)平面布置方面，需要以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力為目標(biāo)，通過(guò)合理布置抗側(cè)力構(gòu)件使建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度得到增強(qiáng)，并使結(jié)構(gòu)側(cè)向位移得到減少。通過(guò)對(duì)構(gòu)件承載能力和抗震延性進(jìn)行最大限度發(fā)揮，能夠使建筑結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下避免出現(xiàn)剛度突變等問(wèn)題。對(duì)地震作用、風(fēng)荷載等可能給結(jié)構(gòu)帶來(lái)扭轉(zhuǎn)影響的偏心因素展開(kāi)分析，可以完成豎向構(gòu)件水平位移和層間位移的合理評(píng)估。在建筑達(dá)到A級(jí)時(shí)，需要將位移量控制在層平均數(shù)的1.2倍以內(nèi)，最大不超1.5倍。在建筑為B級(jí)且未混合性結(jié)構(gòu)時(shí)，位移量應(yīng)不超樓層平均1.2倍。通常狀況下，高層建筑無(wú)需設(shè)置防震縫。但如果平面結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，難以通過(guò)調(diào)整平面布局加強(qiáng)結(jié)構(gòu)調(diào)整，還要利用防震縫完成單元結(jié)構(gòu)劃分。在豎向結(jié)構(gòu)布置上，應(yīng)保證建筑結(jié)構(gòu)整體對(duì)稱、均勻，無(wú)特殊要求應(yīng)避免進(jìn)行外挑或內(nèi)收設(shè)計(jì)。遵循上小下大原理進(jìn)行豎向結(jié)構(gòu)布置，需確保結(jié)構(gòu)側(cè)向變化緩慢、均勻，能夠使結(jié)構(gòu)重心保持穩(wěn)定。在剪力墻布置上，尤其應(yīng)保證均勻、對(duì)稱，并在周邊進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，使豎向上保持結(jié)構(gòu)連續(xù)，以免出現(xiàn)剛度或承載力突變問(wèn)題。如果豎向結(jié)構(gòu)內(nèi)收，應(yīng)確保樓層側(cè)向剛度至少達(dá)到臨界樓層側(cè)向剛度70%或鄰近3層側(cè)向剛度平均值的80%。在結(jié)構(gòu)處于樓層上部的情況下，縮進(jìn)位置應(yīng)與室外地面高、建筑整體高保持0.2的比值，上部縮進(jìn)后的長(zhǎng)度占下部長(zhǎng)的75%以上。

2.2 重視單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高層建筑高度加到，需要保證結(jié)構(gòu)擁有良好延性，允許部分構(gòu)件率先出現(xiàn)塑性鉸，確保地震能量得到不斷消耗，以免重要構(gòu)件發(fā)生破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p毀。結(jié)合這一目標(biāo)進(jìn)行單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化，還要重視關(guān)鍵構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)，使構(gòu)件擁有較高的豎向抗側(cè)力，能夠順利實(shí)現(xiàn)水平力的傳遞，以便使結(jié)構(gòu)安全得到保證[1]。針對(duì)高層建筑各獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，需要保證平面形狀規(guī)格、對(duì)稱，能夠?qū)炷两Y(jié)構(gòu)承載力和剛度等壓力進(jìn)行均勻承擔(dān)。在對(duì)構(gòu)件截面進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要同時(shí)考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，在選用性價(jià)比高的構(gòu)件截面時(shí)，保證截面尺寸符合結(jié)構(gòu)安全性要求，以便使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)得到降低。在抗彎結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中，在不改變其他條件的情況下，可以按寬度增加三次方的比例對(duì)側(cè)移寬度進(jìn)行減小。而增加寬度，能夠使抵抗力臂增大，促使抗傾覆力得到減小。因此對(duì)體系的有效寬度進(jìn)行增加，能夠使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度得到提高。通常情況下，高層建筑會(huì)設(shè)計(jì)地下室和人防結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)頂板上設(shè)置嵌固端，將給結(jié)構(gòu)整體帶來(lái)不同程度影響。重視這一細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，在對(duì)嵌固端上下層剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)結(jié)合樓板結(jié)構(gòu)縫位置、限制范圍等確定結(jié)構(gòu)是否協(xié)調(diào)，保證上下層擁有一致的抗震等級(jí)，使結(jié)構(gòu)的安全性得到保證。此外，高層建筑應(yīng)盡量避免采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，以便因設(shè)計(jì)不規(guī)范導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不足。

2.3 加強(qiáng)抗震性能優(yōu)化

在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，還應(yīng)重視抗震性能優(yōu)化問(wèn)題。針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中存在的各種懸臂桿，還應(yīng)劃分為剪切、彎曲和彎剪三種類型，剪切類型的將導(dǎo)致樓層出現(xiàn)不同程度結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，還要進(jìn)行重點(diǎn)優(yōu)化。在框架梁柱中，容易因雙曲率彎曲產(chǎn)生而出現(xiàn)側(cè)位移狀態(tài)，因此還應(yīng)加強(qiáng)臨界荷重分析。在實(shí)際分析中，需要采用荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合分析形勢(shì)，對(duì)地震作用影響進(jìn)行驗(yàn)算，確定裂縫、變形等不超規(guī)定最大限度。對(duì)混凝土等材料強(qiáng)度和鋼筋配筋率等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠按照時(shí)間變異性將結(jié)構(gòu)荷載劃分為永久、可變和偶然三種，根據(jù)取值標(biāo)準(zhǔn)對(duì)荷重進(jìn)行確認(rèn)。發(fā)現(xiàn)薄弱層，需要進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，以免出現(xiàn)剛度突變問(wèn)題。為使結(jié)構(gòu)抗倒塌和塑性變形能力得到提升，還要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)軸壓比限制分析，保證各樓層地震潛力值合理[2]。根據(jù)驗(yàn)算分析得到的結(jié)構(gòu)抗震系數(shù)，結(jié)合類似建筑抗震設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)建筑平立面、結(jié)構(gòu)體系等進(jìn)行優(yōu)化，使建筑的抗震能力得到提高。如在建筑平立面設(shè)計(jì)上，還應(yīng)保證豎向剛度方面各轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)能夠得到均勻分布。對(duì)結(jié)構(gòu)延性進(jìn)行優(yōu)化，可以對(duì)梁柱端的組合剪力或柱體抗彎能力進(jìn)行增大，促使鋼筋實(shí)際彎矩得到提升。在組合作用力的影響下，梁端能夠比柱端更早發(fā)揮塑性，促使結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定。因此在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)化方面，結(jié)構(gòu)方案還應(yīng)經(jīng)得起考驗(yàn)，以便使建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性、耐久性等性能得到增強(qiáng)。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐

3.1 工程概況

某高層住宅樓高74.2m，建筑面積約11657㎡，包含地上和地下兩部分，地上共24層， 地下2層，建筑標(biāo)準(zhǔn)層高2.8m。結(jié)合建筑實(shí)際情況，考慮到框架結(jié)構(gòu)主要適用于60m高度建筑，框剪結(jié)構(gòu)適用于高度低于120m的建筑，筒體結(jié)構(gòu)適用于高度達(dá)到150m以上建筑，因此建筑采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑基本風(fēng)壓為0.5kN/㎡，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，抗震設(shè)防烈度為7度。工程設(shè)計(jì)使用期限為50年，特征周期為0.55s，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)，地震加速度為0.15g，抗震設(shè)防類為丙類，耐火等級(jí)為二級(jí)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)合建筑各層構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)可知，基礎(chǔ)層為C15，基礎(chǔ)底板為C35，-2層到4層的框架柱剪力墻、樓板、梁和樓梯為C35，圈梁、過(guò)梁和構(gòu)造柱為C35，5層到屋頂層及機(jī)房的框架柱剪力墻、樓板、梁和樓梯為C30，圈梁、過(guò)梁和構(gòu)造柱為C20。從樓（屋）面主要部位活荷載值分布情況來(lái)看，臥室、起居室荷載能夠達(dá)到2kN/㎡，陽(yáng)臺(tái)、衛(wèi)生間達(dá)2.5kN/㎡，門廳、過(guò)道、樓梯間達(dá)3.5kN/㎡，樓板達(dá)5kN/㎡，機(jī)房達(dá)7kN/㎡。對(duì)原本設(shè)計(jì)方案的混凝土結(jié)構(gòu)展開(kāi)分析可以發(fā)現(xiàn)，剪力墻結(jié)構(gòu)整體性指標(biāo)符合要求，但設(shè)計(jì)過(guò)于保守，使得材料性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到最大限度，造成了結(jié)構(gòu)成本增加。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮到建筑整體結(jié)構(gòu)達(dá)到了安全、可靠度要求，為減少成本投入，對(duì)剪力墻布局和局部進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在不改變其他構(gòu)件尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)部分剪力墻進(jìn)行簡(jiǎn)化。剪力墻結(jié)構(gòu)體系由樓板和縱橫向結(jié)構(gòu)墻構(gòu)成，主要用于對(duì)橫向和豎向荷載進(jìn)行抵抗，擁有較大抗側(cè)力剛度，在結(jié)構(gòu)合理的情況下可以保持較好延性。在平面布置優(yōu)化中，考慮到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以滿足整體性能要求，可以將對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小的中部位置剪力墻數(shù)量進(jìn)行削減，具體可以對(duì)樓梯、電梯間周圍的剪力墻進(jìn)行減少[3]。在保證墻肢尺寸合理的基礎(chǔ)上，需要使墻與墻保持4-6m間距，在保證結(jié)構(gòu)承載力要求得到滿足的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)剪力墻的靈活布置，使邊緣構(gòu)件數(shù)量得到減少，促使結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度得到增加。此外，需要使結(jié)構(gòu)墻肢軸壓比接近規(guī)范限值，使結(jié)構(gòu)重量隨之減少，達(dá)到削弱地震作用的目標(biāo)。

3.3 效果分析

采用PKPM系列軟件對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果展開(kāi)分析可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后剪力墻配筋量無(wú)顯著變化，但由于剪力墻數(shù)量有所減少，材料投入得到了降低，使結(jié)構(gòu)總體造價(jià)降低6%左右。從結(jié)構(gòu)安全性角度來(lái)看，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)自振周期從1.65s變?yōu)?.86s，剛度有所減小，彈性隨之增加。在抗震設(shè)防烈度為7度時(shí)，結(jié)構(gòu)最大層間位移有所增加，X方向從1/1526變?yōu)?/1191，Y方向從1/1259變?yōu)?/1116，但仍然符合規(guī)范，并且構(gòu)件軸壓比有所增加，能夠起到減震效果，因此能夠使材料性能得到最大限度發(fā)揮，保證結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，實(shí)際在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還要結(jié)合高層建筑特點(diǎn)提出合理的設(shè)計(jì)方案，使結(jié)構(gòu)得到合理布局，并做好細(xì)部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，促使結(jié)構(gòu)抗震性能得到提升。保證建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)取得良好效果，能夠使建筑在遭遇地震等自然災(zāi)害的情況下依然維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，繼而為人員的生命財(cái)產(chǎn)安全提供保障。

參考文獻(xiàn)：

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