关于高层建筑结构优化设计的探讨

随着城市集约化用地要求的不断提高，建筑向高发展的趋势越来明显，西方发达国家在把建筑向高发展的过程中，运用建筑结构优化设计建筑了很多经典的作品。我国也大力借鉴了这些西方高层结构建筑的成功设计，一大批造型新颖、美观实用的高层结构建筑在东部发达地区鳞次栉比，随着产业西行，高层和异结构建筑也开始在西部地区落地生根。但由于目前住宅建筑结构设计周期短，任务重,大多数结构设计仅是根据已确定好的平面和竖向布置,先假定好构件尺寸,通过电算来调整结构的周期、位移、刚度比等,以至于住宅建好后在经济、实用、安全方面留下遗憾。

一、高层建筑的细部结构设计

1.结构平面的设计与布置

平面形状简单、规则、对称尽量使质心和钢心重合。偏心大的结构扭转效应大，会加大端部构件的位移，导致应力集中。平面突出部分不宜过长。扭转是否过大，可用概念设计方法近似计算钢心、质心及偏心距后进行判断，还可以比较结构最远边缘处的最大层间变形和质心处的层间变形，其比值超过1.1者，可以认为扭转太大而结构不规则。高层建筑不应采用严重不规则的结构布置，当由于使用功能与建筑的要求，结构平面布置严重不规则时，应将其分割成若干比较简单、规则的独立结构单元。对于地震区的抗震建筑，简单、规则、对称的原则尤为重要。

2.结构立体的设计与布置

结构竖向布置最基本的原则是规则、均匀。规则，主要是指体型规则，若有变化，亦应是有规则的渐变。体型沿竖向的剧变，将使地震时某些变形特别集中，常常在该楼层因过大的变形而引起倒塌。均匀是指上下体型、刚度、承载力及质量分布均匀，以及它们的变化均匀。结构宜设计成刚度下大上小，自下而上逐渐减小。下层刚度小，将使变形集中在下部，形成薄弱层，严重的会引起建筑的全面倒塌。如果体型尺寸有变化，也应下大上小逐渐变化，不应发生过大的突变。上下楼层收进使得体型较小的情况经常发生，对于收进的尺寸应当限制。

3.建筑基础的设计与布置

高层建筑的上层结构载荷很大，基础底面压力也很大，应采用整体性好、能满足地基的承载力和建筑物容许变形要求并能调节不均匀沉降的基础形式。根据上部结构类型、层数、载荷及地基承载力，可以用筏型基础或箱型基础;当地基承载力或变形不能满足设计要求时，可以采用桩基或复合地基。筏型基础一般有两种做法：倒肋形楼盖式和倒无梁楼盖式。倒肋形楼盖的筏基，板的折算厚度较小，用料较省，刚度较好，但施工比较麻烦，模板较费。如果采用板底架梁的方案有利于地下室空间的利用，但地基开凿施工麻烦，而且破坏了地基的连续性，扰动了地基土，会降低地基承载力;采用倒无梁楼盖式的筏基，板厚较大，用料较多，刚度也较差，但施工较为方便，且有利于地下空间的利用。

二、高层建筑结构优化设计措施。

高层建筑结构设计的优化主要体现在以下几个方面。

1.基础形式的选择。

高层建筑的基础形式应选用整体性好,能满足地基承载力和高层建筑容许变形的要求,并能调节不均匀沉降,达到安全实用和经济合理的目的。以下讨论平板式筏基和梁板式筏基经济合理的问题。

平板式筏基与梁板式筏基相比较具有节约钢材、混凝土,施工工期短等优点。住宅一般开间小,即剪力墙间距小,并且剪力墙刚度大,所以剪力墙完全可以起到梁板式筏基中基础梁的作用。采用中国建筑科学研究院编制的JCCAD软件, 用有限元法对不同基础形式进行基础计算,发现平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多,但梁板式筏基却有基础梁的配筋、混凝土用量和基础梁支模等情况。当采用梁板式筏基时有的基础梁的刚度达不到它所应起到的刚度作用,计算时超筋。于是还要再增大梁的断面。从综合经济效益分析, 对于采用剪力墙结构形式的高层住宅平板式筏基比梁板式筏基更经济合理。

2.结构平面布置过程中通过计算限制结构的扭转效应

2.1限制结构平面布置的不规则性避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。《高层建筑混凝土结构技术规程》435条规定:在考虑偶然偏心影响的地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移,A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍, 不应大于该楼层平均值的1.5倍。

抗震设计的A级高度钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确,传力直接,力争均匀对称,减少扭转影响。结构刚度不对称也会产生扭转。所以在布置剪力墙时,应使结构均匀分布,令荷载合力作用线通过结构刚度中心,以减少扭转影响。结构刚度不对称产生扭转时,通过增加墙厚来调整扭转效应效果不佳。高层剪力墙结构住宅中剪力墙影响刚度,而剪力墙为矩形截面,惯性矩为IZ=bh3/12,b为墙厚,h为墙长。剪力墙的长度对其刚度影响很大。首先分析哪部分结构刚度大, 哪部分结构刚度小,增大刚度对结构有利,还是减小刚度对结构有利,通过增减剪力墙达到结构刚度均匀对称,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》435条对最大水平位移和层间位移的要求。

2.2限制结构的抗扭刚度不能太弱。《高层建筑混凝土结构技术规程》435条规定:结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于0.9。

扭转耦联振动的主方向,可通过计算振型方向因子来判断,在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中,当转动方向因子大于0.5时,则该振型可认为是扭转为主的振型。

当不满足以上要求时,宜调整抗侧力结构的布置,增大结构的抗扭刚度。如在满足层间位移比的情况下,减小某些(中部)竖向构件刚度,增大平动周期,加大端部竖向构件抗扭刚度,减小扭转周期。

2.3高层住宅转角窗处的构造处理。角部墙体开洞,与角部墙体不开洞的剪力墙结构相比,结构整体效应影响颇大,结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异,角部墙体开洞的剪力墙结构其外墙内力明显增大。开洞的角部各构件扭转效应明显,特别是洞口处的连梁,需配置抗扭钢筋,转角处楼板宜局部加厚,配筋宜适当加大,在转角处板内设置连接两侧墙体的暗梁。

2.4高层建筑平面凹入较深时构造处理。如图1所示的建筑平面凹入较深,平面不规则,容易发生震害,在不妨碍建筑使用的原则下可以采取以下措施:设置拉梁或拉板(板厚为250mm ~300mm),拉梁拉板内配置受拉钢筋。满足梁板最小配筋率要求。
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