1、建筑结构设计优化分析 杨献伦 煤炭工业合肥设计研究院 摘 要： 高层建筑的建筑结构进行设计时需要对结构的安全做好保证, 还要使建筑的结构满足特定的条件以及各种规范要求。在这些条件得到满足的条件下需要对结构进行优化, 从而达到精简造价, 使经济利益达到最优。作者根据多年的高层房屋建筑的经验, 针对结构设计中常见问题, 介绍了地下室、剪力墙以及基础结构的优化设计、核心筒与框架结构的优化设计等, 使结构的可靠性与安全性得到提升与保证。关键词： 建筑结构; 优化设计; 要点; 分析; 收稿日期：2017-8-17Received： 2017-8-17目前, 我国的科学技术发展迅速, 尤其是计算机专业的
2、发展, 各种计算机软件以及模拟工具的开发与应用, 已经在高层建筑结构的设计优化中得到了广泛的应用。因此在今后的高层建筑结构设计中在整体与概念上对基本的力学特性进行把握的同时对前期的设计进行精简计算, 使得高层建筑的安全性得到保证, 工程师能够对建筑结构进行更好的把握, 进而使得建筑的结构设计更加的经济合理, 这将会是今后建筑结构设计发展的一个大的趋势以及研究的方向, 本文就作者多年的实际高层建筑的工作经验, 对高层建筑的结构设计优化分析提出几点见解。1 核心筒剪力墙结构的优化设计高层核心筒剪力墙结构在满足各项基本条件的前提下, 最好的结构设计选择是“以柔克刚”, 平筏板是基础形式最经济的选择,
3、 与桩基础比较更为优越, 在选用平筏板基础时需要满足的基本条件是地基的承载能力必须满足要求;平筏板基础在施工的时候不像桩基础的施工周期长, 工程要求高。在对梁板体系进行优化时, 对梁的高度进行增加能够使梁的抗弯刚度得到有效地加强, 因此需要尽量的增加高度而不是宽度。减小筒剪力的办法能够通过控制次梁的间距, 梁板的厚度以 120 或 100mm 为宜。根据应力的分布情况, 内部的受力较小, 且其对抗扭刚度的贡献也较小, 两端承受的力较大, 可以使墙的厚度减小。当核心筒结构的板厚重, 截面积较大时, 会在构造上使得配筋的使用量增加, 使得整体结构的重量加大, 造成了基础设计的原材料的浪费。以某高层
4、写字楼为例来进行分析, 楼层的地下是两层, 地上是 26 层。该楼采用的是平板筏形的结构, 结构体系是核心筒-框架的结构, 结构合理。采用桩基础的形式进行地基施工。但是在楼盖的折算混凝土厚度偏大, 使得使用的配筋的数量增加, 加大了自身的重量, 基础筏板的厚度也偏大, 使得主楼的地基承载力不足。2 基础结构的优化设计(1) 不同部位的承载力在采用桩基础时力的大小可以不同, 在地质条件允许的条件下, 桩基础可以选择采用高强度预应力的混凝土管桩, 合理的配置不同大小的管桩的混用;灌注桩在大直径的桩身配筋时可以采取扩大头直径的方法;一般为了提高桩的承载能力, 采用的办法是选择合适的桩长与桩直径之后,
5、 在使用后压浆的技术;在上部结构的刚度合理的条件下, 能够考虑承载台、桩以及桩间土协同作用。(2) 箱基在采用传统的概念进行设计时, 必然会出现桩筏基础出现蝶形沉降或是出现主楼与裙楼之间的变形差异过大问题, 变形会导致箱筏的剪力、冲切力以及弯矩的增大, 从而使上部的结构产生的次应力过大。框-筒以及框-剪的荷载不均多是采用对桩的长度、直径以及扭矩进行变化;而对于主楼与裙楼连接的建筑多是采用增强主楼的方式 (复合地基) , 减弱裙楼 (短桩基、基础桩基) 的原则来进行优化设计。(3) 剪力墙的竖向筋以及框架上的纵向筋在深入建筑结构中长度:在不进行抗震设计时, 混凝土中的钢筋直径的三倍小于保护层的厚
6、度, 其深入混凝土中的长度可以乘系数 0.8。在具有抗震要求的高层建筑中, 且建筑物的地下室仅仅有一层或者没有建造, 剪力墙的竖向筋以及框架上的纵向筋在建筑中的长度就需要按照抗震的要求来进行设计;如果地下室的层数大于 2, 那么剪力墙的竖向筋以及框架上的纵向筋的长度则不需要按照抗震的要求来进行设计, 能够乘以折减系数 0.8。3 地下室结构的优化设计层高与荷载是地下室结构优化两个主要的影响因素, 地下室的造价受层高的影响较大, 当地下室的墙高降低, 向地下挖的深度业随着降低, 这样排水的深度也随之减小;覆土的厚度需要进行较好的控制, 一些单位在对地下室的承载力进行设计给出的值为 10k N/m
7、, 这一数据是错误的, 因为在实际的施工过程中, 在地下室的顶部架设脚手架, 来计算总的荷载能力, 但是一般情况下活荷载的计算往往与上层覆土的荷载不是同时进行的, 根据经验应该设定为 4k N/m 较为合理。地下室的地板以及基础梁的建设需要的费用较高;在对地下室进行设计时, 应该尽量使整体的标高提高, 这样不仅减少了土方的开挖与运输费用而且对于支护的费用也能降低。地下室的墙厚一般大于 250mm, 采用的混凝土是 C20C30的等级, 地下室对于裂缝的控制如果保持在 0.2mm 之内, 那么需要通过对裂缝宽度的验算来达到对配筋用量的计算。为了节约钢筋, 便于构造配筋的布置, 能够考虑对外墙的塑
8、形变形内力进行重新的分布, 水平与竖直方向的配筋方式采用分离式, 保持“细而密”的配筋原则, 对于重点部位可以采用附加筋来进行设置。在高层建筑中, 地下室的顶板厚度应该大于 160mm, 地下室的楼层顶盖如果作为上部结构嵌入固定的地方, 楼板的厚度需要大于 180mm, 需要采梁板结构, 需用的混凝土的强度需要大于 C30, 配筋采用双层双向的方式, 每层各个方向的配筋率需要大于 0.25%。增加地下室抗浮部分的自重: (1) 将地下室的地板向外墙方向进行延伸; (2) 使顶板的覆土厚度增加;还能在条件允许的情况下在底板上铺砂卵石。4 核心筒-框架结构的优化设计核心筒外框的剪力墙需要承载较大的
9、侧力以及竖向力, 因此需要具有一定的厚度, 内部的隔墙由于具有外框剪力墙的保护作用, 因此承载的侧力较小, 面积小, 容易使其的稳定性得到保证, 因此厚度能够大幅的下降。通过计算分析能够得到, 核心筒承受的总体的水平方向的地震剪力应该是全部的地震剪力的7080%较为合适, 应该使外框剪力墙与内部的剪力墙所承载的轴压力比控制在相近的范围以内。筒的厚度一般控制在 300550mm 以内, 不应太厚。在核心筒的筒体结构设计时, 若是将地震的作用结合考虑, 由于具有较大的基础内力以及底面积也较大, 然而框架的下层基础面积又较小, 这经会导致剪力墙与框架之间的承载力产生差异, 造成沉降现象, 所以在考虑
10、地震情况下, 能够适当的使框架的基础底面积增加, 而使剪力墙的基础底面积减小。5 剪力墙楼盖结构的优化设计为了减少剪力墙楼盖的板跨, 通常会进行楼面梁的布置, 梁跨的长度设计在58m 之间, 楼面梁的设计通常是在剪力墙上支撑并与剪力墙垂直, 在此时, 水平锚在墙面梁支座内的纵筋的长度不能够满足规范要求, 然而在实际的运用中, 剪力墙所具有的延展性以及侧移刚度的来源主要是自身的水平内刚度, 因此结构的侧向刚度受楼面梁的抗弯刚度的影响不大, 所以只要梁的锚总长度在规范的条件下时, 水平的锚长度可以适当的放宽规范的条件。6 结束语高层建筑的结构设计没有现实存在的万能的标准, 都是需要在实际的工程实践
11、中总结经验, 不断进行摸索, 对不同的设计方案进行对比, 从中选出最好的设计方案。因此, 对于我们从事建筑结构设计的工程师应该不断地去探索, 去追求完善的设计思想, 不能够仅仅按照指定规范来进行设计, 也不能过于依赖计算机软件, 需要在工作中, 不断地用自己总结的判断经验、设计概念以及创新能力来设计出更加完美的建筑来为社会以及业主服务。参考文献1王鹏.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用分析J.中国建材科技, 2014, 23 (04) :162163. 2孙俊英, 吴萍娣.房屋建筑结构设计中的优化技术应用分析J.建材与装饰, 2015 (47) :7778. 3景毅.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的运用分析J.科技资讯, 2014, 12 (27) :36.
