我国高层建筑结构优化设计

浅谈我国高层建筑的结构优化设计摘要:高层建筑项目投资大,建设周期长,对其进行结构优化设计能够有效的减少投资金额。本文分析了高层建筑结构的发展趋势,探讨了我国进行高层建筑结构优化设计的可行性方案，并提出了高层建筑结构优化设计中有待完善的问题。

关键词：高层建筑结构设计优化设计

abstract:highbuildingprojectinvestmentisriskyandalwayshasalongconstructionperiod.andthestructureoptimizationdesigncaneffectivelyreducetheinvestmentamount.thispaperanalyzesthetrendofthedevelopmentofhigh-risebuildings,discussesthissubjectwithfeasibleschemeinchina,andputsforwardtheproblemsneedtobeimproved.

keywords:highbuilding,structuraldesign,optimizationdesign

中图分类号：tu97文献标识码：a文章编号：

我国的高层建筑发展始于上世纪初,在我国高层建筑发展的早期阶段,所设计建造的高层建筑大都为单一用途,例如高层住宅、高层办公楼等。近年来高层建筑发展迅速,建筑结构向体型复杂、功能多样的综合性方向发展,因而相应的结构形式也复杂多样起来。近来陆续开始在高层住宅底层设置生活福利设施,并且开始大量兴建集吃、住、办公、购物、停车等为一体的多功能综合性高层建筑,尤其是在城市主干道两侧,并已成为现代高层建筑的一大趋势，这些建筑上部为公寓、酒店；中层为写字楼、商业；下层为公用的财务、金融、餐厅等服务设施，不同的建筑用途要求上、下层有不同的结构型式与轴线布置。为了适应这种状况,建筑结构也随之发生变化出现了不少新的结构形式。本文就近年来我国高层建筑结构发展趋势、高层建筑结构优化设计的可行性方案和结构优化设计中存在的问题进行阐述。

1.高层建筑结构形式的发展

由于建筑规模大、形式变化多样,单一的结构体系如框架结构、剪力墙结构或筒体结构等往往已不能满足结构布置和受力的需要,因而一般都同时使用多种结构形式,或者在常用结构形式上补充其他结构,将之组织成整体,共同受力。不同的结构采用不同材料,由于同时使用多种形式的结构,因而形成同一栋建筑同时使用多种材料,成为混合结构,一般是同时用钢筋/型钢混凝土和钢的居多。

1.1高层、超高层建筑中钢-混凝土混合结构为主

国外高层、超高层建筑以纯钢结构为主,而我国以钢-混凝土的混合结构应用居多。据不完全统计,中国已建成的150m以上的高层建筑中,混合、组合结构约占22·3%；200m以上的高层建筑,混合结构约占43·8%；300m以上的高层建筑,混合、组合结构约占66·7%，如上海环球金融中心及金茂大厦均为钢筋混凝土核心筒,外框为型钢混凝土柱及钢柱;北京国际贸易中心三期,为筒中筒结构,外部为型钢混凝土框筒,内部为型钢混凝土巨型柱与斜撑及钢梁组成的筒体,高度330m,为我国8度抗震设防地区最高的高层建筑。钢-混凝土混合结构之所以得到了较大发展,一方面因为其可有效地将钢、混凝土以及钢-混凝土组合构件进行组合,既具有钢结构的技术优势又具有混凝土造价相对低廉的特点；另一方面,我国现场施工的人力成本比国外低,采用混合结构比采用纯钢结构经济方面更有优势。因此混合结构是符合我国国情的超高层建筑的结构体系,预计将来混合结构仍将得到较大的发展。

1.2一批新型结构体系涌现

随着超高层建筑的发展,近期涌现出了一些新型结构体系。已建成的330m高的北京国贸三期主塔楼采用了钢-混凝土框架-核心筒结构,内筒采用了型钢、钢板混凝土巨型组合柱及型钢混凝土支撑结构体系；337m高的天津津塔主要抗侧力体系由钢管混凝土柱框架+核心钢板剪力墙体系+外伸刚臂抗侧力体系组成,具有较高的抗侧刚度和延性,是目前世界上应用钢板剪力墙的最高的高层建筑；广州西塔采用了外部交叉网格结构体系,该体系具有较强的抗侧刚度及抗扭刚度,能较好地抵御风荷载和地震作用；巨型结构在超高层结构中被广泛采用,利用外框的带状桁架和巨型柱形成巨型框架,并辅以必要的外立面的斜撑,巨型柱的尺寸往往达到5m以上,有的甚至超过10m,采用型钢混凝土构件或钢管混凝土构件。随着高层建筑结构的发展,会有更多新颖合理的结构体系出现。

2.我国高层建筑结构优化设计

2.1高层建筑结构设计研究

大量复杂高层建筑的出现,给结构设计带来了挑战。结合复杂高层建筑的设计,进行了大量的相关研究工作,研究内容主要侧重抗震、抗风,研究手段主要是试验研究与计算分析。关于抗震研究工作,针对我国高层建筑体型复杂和混合结构应用广泛的特点,国内相关科研院所、高校等进行了大量试验研究。结合振动台试验及模型静力试验,并利用各种计算机分析软件进行计算分析工作完成了关于转换层、加强层、体型收进、带悬挑结构、连体结构等复杂高层建筑结构的研究应用,为我国复杂高层建筑设计提供了依据。针对混合结构应用广泛的特点,开展了系列研究工作:进行了整体模型结构拟静力试验研究及模型振动台试验研究,开展了如何增强混合结构核心筒剪力墙延性的研究,如采用钢板混凝土组合剪力墙、带钢斜撑混凝土组合剪力墙、内藏钢桁架混凝土组合剪力墙等多种形式的研究工作;结合实际工程,如cctv大楼、北京国贸三期等,开展了大量高含钢率、截面形式复杂的组合构件的试验研究等。在高层建筑研究过程中,进行了数百栋实际工程的模型振动台试验研究工作。通过整体模型振动台试验,研究结构抗震性能,对结构相对薄弱部位有针对性的采取加强措施;除振动台试验外,许多工程进行了大比例构件、节点试验研究,以检验结构设计的安全性并为设计提供参考。抗风研究工作主要针对复杂体型及复杂风环境开展工作。结合具体的高层建筑工程,开展了大量的风洞试验,为进行高层建筑结构的设计提供了更为可靠的依据。随着人们对居住环境的重视,风工程研究工作会越来越引起设计人员的关注。除试验研究外,高层建筑结构的计算分析手段有了很大提高。规范要求,体型复杂、结构布置复杂的高层建筑进行多遇地震作用下的内力与变形分析时,应采用至少两个不同力学模型的软件进行整体计算。目前,国内商业化的高层建筑分析计算程序主要有satwe,pmsap等,国际通用程序etabs,sap2000，midas等在复杂工程计算中已得到较广泛的应用。近几年高层建筑结构设计领域的弹塑性分析计算工作取得了一定的进展。许多体型特殊的结构,除进行弹性计算分析外,补充进行了弹塑性分析计算,以找出结构的薄弱部位并采取构造措施进行加强。弹塑性分析计算程序主要有两大类:一类是土建领域常用的国际通用分析程序如etabs,sap2000,ansys等以及国内自主开发的弹塑性分析程序如epda等；除此以外,原用于航空航天、汽车等领域的大型非线性分析程序abaqus,lsdyna等已开始在高层建筑实际工程中得到应用,非线性动力方程的显式求解方法也在结构分析中得到应用,为弹塑性分析计算工作开辟了新的局面。但是鉴于我国高层建筑结构体型复杂,且多以混合结构或钢筋混凝土结构为主,弹塑性分析工作还有许多值得深入研究探讨的问题,如合理模拟结构阻尼、合理确定材料本构关系、开发高精度单元、改善非线性分析算法等。另外,针对复杂及超限结构,除进行整体计算分析外,还作一些补充计算,如对关键部位、关键构件进行中震或大震结构构件内力验算等,是基于性能的抗震设计思想的具体体现。超高层建筑等复杂结构,其结构构件的受力情况与施工过程是密切相关的。施工过程的模拟也是一个非线性问题,在模拟过程中结构是不断变化的,以往采用的结构一次成型、荷载分步施加的分析方法对于复杂结构已经不能适用,需要进行更精确的分析。目前国内许多超高层建筑和复杂工程都进行了施工过程模拟分析,并综合考虑混凝土的收缩、徐变,利用施工模拟的结果作为重力荷载产生的内力进行抗震分析,得到了更安全、准确的结果。如cctv主楼等,由于体型特殊,进行了施工过程模拟计算分析。除抗震计算分析外,风工程数值分析计算的cfd技术(如fluent软件)近年来在实际工程的风环境分析中也得到了具体应用。

2.2高层建筑结构转换层设计的应用

由于不同建筑使用功能要求不同的空间划分布置,相应地,要求不同的结构形式,如何将他们之间通过合理地转换过渡,沿竖向组合在一起,就成为多功能综合性高层建筑结构体系的关键技术。这对高层建筑结构设计提出了新的问题,需要在结构转换的楼层设置一种称为“结构转换层”的结构形式,来完成上下不同柱网、不同开间、不同结构形式的转换。简单地说,就是上下两层的结构不一样,必须设置一个转换层来“承上启下”。结构上的转换层概念,主要是指在整个建筑结构体系中,合理解决竖向结构的突变性转化和平面的连续性变化的结构单元体系。它在主要满足结构安全功能要求的同时,解决一些特殊技术性建筑功能要求,比如在结构转换层空间内布置管道、设备等等。这种转换层广泛应用于剪力墙结构及框架-剪力墙等结构体系中。高层建筑结构转换层的设计直接影响到建筑结构的安全性、经济性与耐久性,设计者应对此予以重视,根据高层综合楼建筑功能的需要,选择适宜的结构转换层做好结构转换层的设计,不但可以节省材料,而且也可以节省建造费用。同时灵活的将建筑与结构统一,实现建筑之美。

3高层建筑结构优化设计中有待完善的问题

我国的高层及超高层建筑具有超高超大、功能复杂、造型新奇的特点,不但其规模和复杂程度在国际上可谓少见,而且许多建筑突破了我国现行相关技术标准与规范的要求,而这种发展趋势仍将持续一段时期。如何保证这些超高层建筑符合抗震设防、抗风、防意外事件(爆炸与撞击)、防火等的要求,具备适当的安全度,关乎国计民生。

3.1在高层结构抗震设计理论和方法方面开展进一步研究

目前我国关于高层建筑结构的倒塌过程的理论和试验研究才刚刚起步,需要进一步开展相关研究工作。另外,现行规范的“安全性”目标不能满足重要大型高层建筑工程的需要。现行规范最基本、最主要的目标就是防止建筑物在地震中倒塌,确保人的生命不受损失。然而随着国民经济的快速发展,人们对建筑抗震的要求除了基本的生命安全外,还对地震期间建筑的使用功能提出了更高的要求。需要加强研究基于性能的抗震设计方法。减振控制技术是抗震、抗风设计的一条重要途径,主要研究内容应包括:隔震设计适用范围的调整、除橡胶隔震垫以外的各类滑动平移转动支座的应用设计方法和措施;消能减振设计方法的细化与改进、各类速度型与位移型阻尼器的适用范围与设计基本原则、控制指标。在结构控制方面,除进行必要的理论研究外,更需加大产品的研发力度,而且在产品的性能和质量方面有待加强,迫切需要国产的高性能、高质量、新型的结构振动控制装置。

此外,随着我国超高层建筑高度的增加,结构自振周期增大,不少超高层建筑的自振周期已超过6s,有的甚至达10s以上,长周期结构的地震反应应如何考虑,需要进一步研究。

3.2加强对高层混合结构的研究

根据我国国情,钢-混凝土混合结构在高层建筑中的应用比例会持续增加。但目前已建成的混合结构高层建筑尚未经受实际地震的考验,因此需要进一步开展混合结构体系的抗震性能研究。研究工作包含两个方面:一方面是混合结构的整体抗震性能,如阻尼参数的选取、整体结构协调工作的性能等；另一方面,需要加强对组合构件以及组合构件之间连接构造的研究。由于结构体系越来越复杂,大多包含巨型柱、斜撑、腰桁架等,各种组合构件———组合柱、组合梁、组合楼板形式越来越灵活多样,同时随着超高层建筑高度的增加,使得各种构件之间的连接构造越来越复杂多样。因此结合工程应用,对各种新型组合结构构件需要开展更加深入细致的性能研究工作。

3.3抗风关键技术的研究

随着高层建筑高度的增加,结构对风荷载更加敏感,在不少地区,抗风研究和设计已成为控制结构安全性能和使用性能的关键因素。应进一步加强对高层建筑横风向响应和等效静力风荷载、干扰效应、行人风环境以及居住者舒适度判据等方面的研究。此外,国际工程界对超高层建筑上的风速、风压测试工作也非常重视,在某些世界著名的超高层建筑上架设有风速仪、测振仪,进行长期的测风测振工作,积累了一定的数据。我国在此方面还有较大差距,规范采用的风剖面在超高层建筑的高度范围内缺乏实测数据的支持。

总之，结构设计应根据不同的功能和使用要求采用相适应的材料和结构形式,选择符合实际受力情况的计算模型,加上有针对性的概念性构造加强措施,才能解决设计和建设过程中出现的问题。

致谢:成文过程中,参考了同行的许多文献和资料,在此只能列出代表性的一部分,恕不一一列出,谨此致谢！

参考文献

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[4]李志山,容柏生.高层建筑结构