土木工程毕业设计（论文）-大跨度混合结构分析及优化设计.doc

毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 大跨度混合结构分析及优化设计 学 生 刘射洪（专业: 土木工程） 指导教师 袁聚云（单位: 土木工程学院地下建筑与工程系） 赵 昕（单位: 同济大学建筑设计研究院） 【摘要】 随着社会和经济的发展，大跨度建筑结构应用越来越广泛，而其中的混合结构已成为一种不可或缺的结 构形式。大跨度混合结构自重大、设计难、造价高，合理的结构选型及优化设计十分重要。大型城市商业综合体 作为一种典型的大跨度混合结构，其中组合构件运用最多，其相互之间的混合及其与混凝土构件、钢构件等的混 合也是最为常见的混合结构形式。本文对几种常见的混合结构形式进行比较分析，研究各自的优缺点及设计要点， 为实际工程的结构选型及优化设计提供依据。再结合具体的大跨度混合结构工程实例，通过对其选型比较及优化 设计，确定合理的结构方案，继而对选定方案进行构件验算。通过本文的工程实例可以看到，在进行优化设计之 后，大跨度混合结构体系取得了不错的效果。随着大跨度混合结构的日益增多，积极探讨大跨度混合结构体系的 优化设计，具有明显的社会和经济效益。 【关键词】 大跨度；混合结构；选型分析；优化设计 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 Structural Analysis and Optimal Design of Long-span Hybrid Building Author LIU She Hong （Major: Civil Engineering） Supervisor YUAN Ju Yun （Department: Geotechnical Engineering） ZHAO Xin （Department: Tongji Architectural Design） 【Abstract】 With the development of society and economy, long-span building has been widely used in the world, and hybrid structure becomes an indispensable structure. Because of the difficulty and high cost in long-span hybrid building structure design, a reasonable selection of structural system and optimal design are very important. Large urban commercial complex is a typical long-span hybrid structure, in which composite members are used the most, and their mutual mixed structure or other hybrid structure mixed with concrete members and steel members are the most common forms of hybrid structure. In this paper, several common forms of hybrid structure are compared, and we analyze their advantages, disadvantages and key points of design, providing the basis for selection of structural system and optimal design for actual project. In addition, this paper combines with specific project by comparing their selection of structural system and optimal design, and determines a reasonable structure, then conductes member checking for the selected program. Through this project, we can see, structural optimization achieves a good result. With the long-span hybrid structure growing, its optimal design has obvious social and economic benefits. 【Keyword】 long-span building; hybrid structure ; selection analysis; optimal design 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 大跨度混合结构分析及优化设计 学 生 刘射洪（专业: 土木工程） 指导教师 袁聚云（单位: 土木工程学院地下建筑与工程系） 赵 昕（单位: 同济大学建筑设计研究院） 【设计总说明】 本次毕业设计过程中参与了华润置地西安三桥商业一期项目的初步设计。该项目主要由一幢超高层建筑（45 层）、三幢高层建筑（30 层）及其 4 层裙楼和 6 幢三层建筑物组成。地上总建筑面积约 25 万平方米，加上地下商 业建筑及地下车库和设备用房等合计建筑总面积约为 37 万平方米。超高层建筑结构采用框筒结构形式，高层建筑 结构采用框剪结构形式，商业裙房采用框架结构形式。 本次工程的设计依据主要有： （1）建筑结构荷载规范 GB50009-2012 （2）建筑工程抗震设防分类标准 GB50223-2008 （3）建筑抗震设计规范 GB50011-2010 （4）建筑地基基础设计规范 GB50007-2002 （5）建筑桩基础技术规范 JGJ94-2008 （6）混凝土结构设计规范 GB50010-2010 （7）高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ 3-2010 （8）钢结构设计规范 GB50017-2003 （9）型钢混凝土组合结构技术规程 JGJ138-2001 根据建筑结构荷载规范GB50009-2012 的规定，西安地区 50 年一遇基本风压为 0.35kN/m2，100 年一遇基 本风压为 0.40kN/m2，本工程中对于高层、超高层建筑高度大于 60m，按 100 年一遇基本风压取 0.40kN/m2，对于 商业裙房，按 50 年一遇基本风压取 0.35kN/m2。地面粗糙度取为 C 类。 雪荷载根据建筑结构荷载规范GB50009-2012 的规定，取西安地区 50 年一遇基本雪压为 0.25kN/m2。 本工程抗震设防烈度为 8 度，设计采用的基本地震加速度值为 0.20g，设计地震分组为第一组，拟建场地为 类建筑场地，特征周期值取 0.35s，多遇地震影响系数最大值取 0.16，罕遇地震影响系数最大值取 0.90。根据建 筑抗震设防分类标准GB50223-2008，该项目划分为乙类建筑，抗震等级为一级。 本次初步设计主要针对商业裙房进行了选型分析及优化设计。根据选型比较，最终确定了局部采用型钢混凝 土构件（型钢混凝土梁、型钢混凝土柱）的混合结构形式。 考虑到本工程结构设计工作的实际情况，选取高层建筑结构空间有限元分析软件（SATWE）作为结构分析程 序。建模分析时，混凝土板厚取值 120mm，恒载（含板自重）首层及标准层取值 5.2kN/m2，顶层取值 6.2kN/m2； 活荷载首层取值 5.0kN/m2，标准层取值 4.0kN/m2，顶层取值 2.0kN/m2；附加荷载（连廊集中力）恒载取值 135kN，活载取值 105kN。 本工程中，混凝土强度等级取 C30，钢筋强度等级取 HRB400，型钢强度等级取 Q345。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 目录 1 绪论.2 1.1 研究背景 .2 1.1.1 大跨度混合结构的发展.2 1.1.2 大跨度混合结构的特点.2 1.1.3 研究意义.2 1.2 大跨度混合结构体系 .2 1.2.1 按建筑功能分类.2 1.2.2 按建筑材料分类.2 1.2.3 按结构布置分类.2 1.2.4 按结构受力分类.2 1.2.5 按结构形态分类.2 1.2.6 综合考虑分类.2 1.3 大跨度混合结构优化设计 .2 1.3.1 结构优化设计的发展.2 1.3.2 结构优化设计的层次.2 1.3.3 结构优化设计的特点.2 1.4 本文的主要工作 .2 2 大跨度混合结构设计方法.2 2.1 概述 .2 2.2 混凝土构件与钢构件的混合 .2 2.2.1 概念.2 2.2.2 设计要点.2 2.3 混凝土构件与组合构件的混合 .2 2.3.1 概念.2 2.3.2 设计要点.2 2.4 钢构件与组合构件的混合 .2 2.4.1 概念.2 2.4.2 设计要点.2 2.5 混凝土构件、钢构件及组合构件的混合 .2 2.5.1 概念.2 2.5.2 设计要点.2 2.6 本章小结 .2 3 工程实例设计与分析.2 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 3.1 工程概况 .2 3.2 初步设计分析 .2 3.2.1 设计依据.2 3.2.2 分析软件选取.2 3.2.3 设计参数确定.2 3.2.4 结构布置.2 3.3 优化设计 .2 3.3.1 选型分析.2 3.3.2 方案对比及结论.2 3.3.3 结构布置优化.2 3.3.4 构件优化.2 3.4 经济技术对比 .2 3.4.1 建筑效果.2 3.4.2 整体计算结果.2 3.4.3 经济性分析.2 3.5 本章小结 .2 4 结论与展望.2 4.1 结论 .2 4.2 展望 .2 参考文献.2 附录.2 附录 1 普通住宅建筑混凝土用量和钢筋用量估算值 .2 附录 2 建筑结构总信息 .2 附录 3 周期、地震力与振型输出文件 .2 附录 4 SATWE 位移输出文件 .2 附录 5 各层荷载平面图 .2 附录 6 板配筋计算简图 .2 附录 7 各层平面简图 .2 附录 8 混凝土构件配筋及钢构件验算简图 .2 谢辞.2 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 1 页 装 订 线 1 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 大跨度混合结构的发展 人类的梦想总是向着更广阔的天地，大跨度建筑为这样的梦想插上了翅膀。 自古以来，人类就在不断寻求跨越更大空间的可能。在对人类早期建筑遗址的发掘中发现， 无论是我国半坡聚落中具有空间骨架意味的山形居室（图1-1），还是北美印第安人始祖继承下来 的穹顶棚屋（图1-2），都已经可以看出这种探索的端倪。在古代欧洲，从罗马时期到中世纪再到 文 图1-1 我国半坡聚落的山形居室 图1-2 北美印第安人的穹顶棚屋 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 2 页 装 订 线 艺复兴，在大规模修建体量恢宏的神庙、浴场、教堂、宫殿等建筑（图1-3）的同时，人类也把对 天国的理想寄托于跨越能力的提高。工业革命之后，在18世纪末、19世纪初，出现了真正意义的 现代大跨度建筑。新兴的材料钢铁，将伦敦水晶宫（图1-4）、巴黎埃菲尔铁塔（图1-5）和 机械馆（图1-6）等推上一个里程碑式的高度。二次世界大战之后，百废待兴，混凝土的大量应用 促使 图1-3 宏伟的欧洲建筑 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 3 页 装 订 线 图1-4 伦敦水晶宫 图1-5 巴黎埃菲尔铁塔 图1-7 混凝土薄壳结构 图1-6 巴黎世博会机械馆 薄壳结构（图1-7）蓬勃发展，也赋予P.Nervi(奈尔维)、E.Torroja(德罗哈)、F.Candela(坎德拉)、 H.Isler(伊斯拉)等杰出工程师展现结构诗意的舞台。20世纪50年代后，以杆系单元为主的网格结构 崭露头角，这种以钢、铝合金或木的杆件通过节点组合成网状结构（图1-8），对大跨度建筑结构 产生了一次革命性的影响。而自上世纪70年代起，又陆续出现了以受拉为主要受力特征的张拉结 构，先有以钢 图1-8 以杆系单元为主的网格结构 索承重的悬索结构（图1-9），后有以合成材料制成织物来受力的薄膜结构（图1-10）。单就结构 自重而言，从古罗马时期砖石穹顶结构的9000kg/m2减少至当今索穹顶结构（图1-11）的10kg/m2， 技术革新正使人类的梦想实现飞跃式的跨越。 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 4 页 装 订 线 图1-9 悬索结构 图1-10 膜结构 图1-11 索穹顶结构 人类对空间跨度的不断追求促进了大跨度建筑的发展，大跨度建筑也因其功能上的特殊性导 致其历史地位的特殊性，大跨度建筑往往是某个历史时期最先进的建筑技术与时代精神的集中反 映。在今天看来，大跨度和超大跨度建筑物以及作为其核心的大跨度建筑结构技术的发展状况， 已经成为代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。建筑物的跨度和规模越来越大，结构形式 越来越丰富多彩，许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为各地的象征性标志和著名的人文景观。 当然，当建筑物的跨度达到或超过一定限度时，普通的平面结构就开始变得不是很合理了。 从国内外工程实例可以看到，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系，多由两种或两种以 上不同材料的承重结构所共同组成的结构体，即混合结构。混合结构不是指单一的结构形式，如 混凝土结构、木结构、钢结构等，而是指多种结构（或称构件）混合而成的一种结构形式。大跨 度建筑中的混合结构是近年来结构专业的新型提法，是大跨度建筑中不可或缺的结构形式。 随着技术水平的发展，大跨度混合建筑展现出多样化的格局，由以前较重的结构体系发展到 轻薄的结构体系，由传统的刚性结构发展到半刚性结构和柔性结构。在这个过程中，建筑师越来 越大胆地表现自己的建筑想法，结构工程师面对越来越多的挑战。同时，优秀的建筑师的新颖想 法和所采用的一些具有创造力的表现形式也给结构工程师提出了新的研究方向。在建筑与结构两 种学科的不断碰撞与交流中，大跨度建筑正走向更富有活力、充满灵感的新纪元。 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 5 页 装 订 线 1.1.2 大跨度混合结构的特点 （1）竖向荷载起决定作用 随着社会经济的发展、科学技术的进步和人类对建筑结构的不断创新，高层建筑和大跨度建 筑成为两个主要的发展方向。但是，高层建筑与大跨度建筑在力学上有着完全不同的设计方法。 高层建筑随着结构高度的增加，相应地刚度也增大，对稳定性，特别是对整体倾斜的要求就更为 严格。同时，随着建筑物高度的增加，水平荷载（风荷载及地震作用）对结构的作用将越来越大， 倾覆力矩几乎成倍增长。除了结构内力将明显加大外，结构侧向位移增加更快，这是高层建筑与 多层建筑受力的主要区别。图 1-12 给出了高层结构中竖向荷载引起的轴力 N、水平荷载对结构产 生的倾覆力矩 M、结构侧向位移 与建筑物高度 H 的关系。因此，在高层建筑的分析和设计中， 水平荷载起着决定性的作用。 图 1-12 高层建筑物高度与轴力、弯矩、侧移的关系 但是，在大跨度建筑中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着结构设计，水平荷载产生的 内力和位移很小，对结构的影响较小。一方面，大跨度建筑的构件尺寸较大，结构自重很大；另 一方面，由于建筑面积的增大，活荷载也会随之加大。因此，无论是大跨度的工业厂房建筑，还 是大跨度的民用公共建筑，竖向荷载始终限制着人类对空间跨度的不断追求。 （2）结构形式丰富多彩 历经一个多世纪的发展，大跨度建筑混合结构体系展现出多样化的格局。框架结构、桁架结 构、网架结构、网壳结构、薄壳结构、悬索结构、张拉结构、膜结构等已相当丰富多彩。它们受 力特点各有不同，在建筑上的表现能力也独具天赋，正是由于它们出色的力学性能与美学张力， 在建筑艺术的舞台上演一场场或粗犷或柔美的精彩演出，产生工程史上一个个过目不忘的惊世杰 作。然而，一种结构形式总有它自身跨越的极限能力和适用范围。实践证明，不同的大跨度建筑 结构类型受力性能各有优劣，采用一种纯净的结构形式，并不总是经济合理的，同时，结构造型 也会缺少变化与表现力。如能将不同的结构类型恰当地混合在一起，优势互补，则会获得更为经 内力 或位移 H O 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 6 页 装 订 线 济合理，并颇具表现力的结构形式，从而更好地实现人类一直追寻轻、远的跨越理想。同时，新 材料和新技术的采用使得大跨度建筑混合结构的发展日新月异。 1.1.3 研究意义 从字面上理解，大跨度建筑混合结构包含两层意思：即“大跨度”与“混合”的结构。中国土 木建筑百科大辞典把大跨度建筑定义为，“屋盖结构跨度在80m以上的建筑”。本文所研究的 结构并非必须大于80m跨度的结构，例如，对于框架结构而言，15m的跨距已经不适宜简单的梁柱 结构体系实现，虽也是很大的跨度，但与80m的概念相距甚远。因此，本文将“大跨度”作为区 别普通梁柱结构体系等的定语，而非数字上的限定。 大跨度建筑结构向着更轻、更远的发展趋势要求必须千方百计降低结构自重，其途径一方面 是研制运用轻质高强的新型建筑材料，另一方面是研究开发合理的结构形式。轻质高强材料的发 展以及各种材料在大跨度建筑领域的广泛应用可以说是大跨度结构能得到普及的基础。在大跨度 建筑结构材料的使用方面，近些年来用得最多的还是传统的型钢、圆钢、钢索和薄膜。除此之外， 国内外也正在积极开发更多人工合成材料，不但强度高，重量也更轻，但目前还处在探索阶段。 在开创新型结构方面，如何突破结构体系的跨越极限，把整个街区、整个广场、整个城市覆盖起 来，甚至在外太空建立更为庞大的、适宜人类活动、可人工控制气候的世外桃源；如何满足人们 对大跨度建筑越来越高的视觉要求，创造复杂多变的造型（如异型曲面等）和轻薄、飘逸、精致、 明亮的室内空间，则成了建筑师和结构工程师们共同追求的新目标。 混合结构是个有潜力的结构类型，它的受力合理性和经济性表现突出，同时轻盈精致的视觉 表现具有独特的审美价值。从目前研究看来，无论理论上还是实践中，都还有许多未知的形式。 如果说，我们这个时代满足于技术上的惊人进步的人们，不能将这种技术进步与表现我们时代新 的飞速发展的惊人的结构形式的出现相结合，反而在高度的作业能力及低材料成本的驱动下，只 关心加速标准件的生产速度，这不能不给人们留下一种新的遗憾。显然在探索新的结构形式方面 的工作难度不小，但我们只能面对现实，知难而进，迎接挑战。可以预测，混合结构发展方兴未 艾、极具活力，必将在21世纪的建筑舞台上大发异彩。 但对于混合结构，目前尚无确切和规定化的定义和分类，存在概念模糊、分类方法缺乏系统 性和科学性的弊病，这在一定程度上都导致了当今在混合结构研究上的混乱，甚至是错误。同时， 目前对混合结构的结构研究多集中在力学的计算分析上，包括稳定性分析、应力优化分析、静力 弹塑性分析、支座推力分析、结构安全性分析等等，对结构体系的概念性分析内容偏少。实际上， 设计者（无论是建筑师还是结构工程师）在开始处理结构方面的问题时，必然希望在形成总体方 案过程中能着眼于相关各主要局部，但这样单一地处理局部性问题只会导致对结构的整体性理解 不足，缺乏宏观把握能力。 另一方面，随着大跨度混合结构体系的日趋多样化，其设计与施工也变得错综复杂。设计中 不仅要考虑建筑功能与结构受力，而且应该考虑到文化、社会、经济、设备技术等各方面的因素， 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 7 页 装 订 线 使建筑物实现最好的综合效果。同样，施工中不仅要考虑技术的可行性，更应考虑到经济效益、 环境影响等因素。而这都给大跨度混合建筑结构的精确计算和优化设计提出了新的要求。因此， 积极探讨大跨度混合结构的优化设计，具有明显的社会和经济效益。 1.2 大跨度混合结构体系 1.2.1 按建筑功能分类 按建筑功能分类，大跨度混合结构建筑可分为工业厂房建筑和民用公共建筑。其中，工业厂 房建筑包括飞机装配车间、飞机库和其他大跨度厂房，民用公共建筑包括影剧院、体育场馆、展 览馆、大会堂、航空港及其他大型公共建筑。 1.2.2 按建筑材料分类 按建筑材料分类，大跨度混合结构则是将单一的混凝土构件、钢构件、组合构件、索膜构件 等进行混合，以组合出受力合理、经济可行的结构形式。表 1-1 列出了几种常见的大跨度混合结 构形式。 表 1-1 常见大跨度混合结构形式 序号混合形式举例 1混凝土构件+钢构件 混凝土柱上钢屋盖房屋结构、混凝土柱钢梁框架结构、 混凝土框架中的钢结构连廊； 2混凝土构件+组合构件混凝土框架中局部用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件； 3钢构件+组合构件组合柱上钢屋盖结构、组合柱钢梁框架结构； 4混凝土构件+钢构件+组合构件 混凝土框架中局部用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件， 屋盖用钢结构； 5钢构件+索膜构件钢结构中应用张弦梁、索穹顶、张拉索膜等； 6混凝土构件+钢构件+索膜构件 混凝土柱上张弦梁、索穹顶、弦支穹顶、索拱、索桁架、 张拉索膜结构等； 7钢构件+组合构件+索膜构件 组合柱上张弦梁、索穹顶、弦支穹顶、索拱、索桁架、 张拉索膜结构等； 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 8 页 装 订 线 8 混凝土构件+钢构件+组合构件 +索膜构件 混凝土柱上张弦梁、索穹顶、弦支穹顶、索拱、索桁架、 张拉索膜结构等，部分柱用型钢混凝土柱或钢管混凝土柱。 1.2.3 按结构布置分类 按结构布置分类，大跨度混合结构可分为平面结构和空间结构。平面结构外荷与支座反力作 用在构件平面内，整个体系则是由一个个平面结构通过次要构件联系而构成；空间结构则在三个 维度上完成对外荷的接收、传递和释放。严格上讲，实际工程中平面结构几乎不存在，绝大多数 结构都是空间结构。但在许多情况下往往可以引入一些适当的假定，把它们简化为平面结构，从 而避免复杂的计算并取得精度符合工程要求的结果。虽然在计算机发展后，习惯上常简化为平面 结构的桁架和刚架（如框架）等，已逐步转向按空间结构计算，但本文中还是将框架结构等划分 为平面结构。而大跨度空间结构包括网架结构、网壳结构、薄壳结构、悬索结构、张拉结构、膜 结构等。一般来说，平面结构由于其受传力机制、材料性能等的限制，在跨度上与空间结构相比 就要小得多。对于框架结构，当跨度达到 15m 以上时，就可以称得上大跨度结构。但对于空间结 构，跨度至少要达到 30m 以上才能称得上大跨度结构。因此，大跨度混合结构中的平面结构和空 间结构是两种不同概念、不同级别的结构形式。 1.2.4 按结构受力分类 按结构受力分类，结构的受力状态有拉、压、弯、剪和扭五种，由于结构实际受力的复杂性， 只能说是以某种受力状态为主。从整体作用来看，大跨度混合结构可分为抗拉体系、抗压体系和 抗弯体系。抗拉体系中主要是索膜构件的应用，因此抗拉体系包括悬索结构、张拉结构、膜结构 等。抗压体系是在竖向荷载作用下，主要承受轴向压力，其包括网壳结构、薄壳结构、穹顶结构、 索拱结构等。抗弯体系是在竖向荷载作用下，结构内力以弯矩为主，其包括桁架结构、框架结构、 网架结构等。 1.2.5 按结构形态分类 按结构形态分类，大跨度混合结构可分为实体结构、线形（骨架）结构和面系结构。区分三 者形态的方法来自结构截面尺寸和跨度比值，可以看出，实体结构占据的空间最大而面系结构最 小。实体结构以框架结构为主，线形（骨架）结构则包括网格结构、桁架结构及张拉结构等，而 面系结构包括薄壳结构、膜结构等。 1.2.6 综合考虑分类 大跨度混合 结构体系 刚性构件混合结构 刚、柔构件混合结 构 拱（壳）单元 + 梁（板）单元 拱（壳）单元 + 杆系单元 梁（板）单元 + 杆系单元 混合吊挂体系 混合张拉体系 混合加劲体系 半刚性悬挂体系 毕业设计（论文）报告纸 共 117 页 第 9 页 装 订 线 图 1-13 大跨度混合结构体系 根据刘宏伟的研究，大跨度混合结构体系由拱（壳）单元、梁（板）单元、杆系单元和索 （膜）单元这四类基本单元相互混合而成，分为刚性构件混合结构和刚、柔构件混合结构两大类 （图 1-13）。这是一种全新的、较为全面的分类方法，它提供了一条了解混合结构力学原理的新 思路。任何混合结构形式均可以在这一分类的框架