高层建筑结构优化设计的研究

摘 要：本文探讨了在建筑结构设计工作中， 分析了选择合理的结构方案时应遵循的一些基本原则， 探讨了在进行正确的结构计算时应注意的一些问题，提出了高层建筑结构分析以及各种体系相对应的方法， 为提高高层建筑结构分析与设计提供有效参考价值。
关键词： 城市高层建筑 结构分析 优化设计 研究应用
在建筑结构设计中,当建筑方案产生后,结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题,再加上后续每一道工序的精心设计、 准确计算、 合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。 下面就结构设计优化的一些途径,谈一点看法,以期与广大结构设计
人员共勉。
一、现代高层建筑结构设计存在的缺陷
对于低层、 多层和高层建筑,竖向和水平向结构体系的设计基本原理都是相同的,但是,随着高度的不断增加,竖向结构体系成为设计的控制因素,其原因有两个:其一,较大的垂直荷载要求有较大的柱、墙或者井筒;其二,侧向力所产生的倾覆力矩和剪切变形要大得多。 与
竖向荷载相比,侧向荷载对建筑物的效应不是线性增加的,而随建筑高度的增高迅速增大。例如,在所有条件相同时,在风荷载作用下,建筑物基底的倾覆力矩近似与建筑物高度的平方成正比, 而其顶部的侧向位移与高度的四次方成正比,地震的作用效应更加明显。在现代高层建筑中,问题不仅仅是抗剪,而更重要的是整体抗弯和抵抗变形,可见,现代建筑的高层结构受力性能与低层建筑有很大的差异,存在扭转、 共振、 水平侧向位移及剪重比等问题。
二、 城市高层建筑结构设计的特点
2.1 水平荷载是决定因素
一般的来说， 一方面， 楼房自重和楼面使用荷载在竖构件中所引起的轴力和弯矩的数值， 仅与楼房高度的一次方成正比； 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩， 以及由此在竖构件中引起的轴力，是与楼房高度的两次方成正比； 而另一方面，对某一定高度楼房来说， 竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随
结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。
2.2 轴向变形同等重要
高层建筑中， 竖向荷载数值很大， 能够在柱中引起较大的轴向变形， 从而会对连续梁弯矩产生影响， 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小， 跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大；还会对预制构件的下料长度产生影响， 要求根据轴向变形计算值，对下料长度进行调整。
2.3 侧移是控制指标
与较低楼房不同， 结构侧移已成为高楼结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加， 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大， 因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。
2.4 结构延性是重要设计指标
相对于较低楼房而言， 高楼结构更柔一些， 在地震作用下的变形更大一些。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力， 避免倒塌， 特别需要在构造上采取恰当的措施， 来保证结构具有足够的延性。
三、城市高层建筑的一般结构体系
3.1 框架一剪力墙体系
当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。 在承受水平力时， 框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载， 剪力墙主要承受水平剪力。 框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置， 增大了结构的侧向刚度， 使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架～剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。
3.2 剪力墙体系
当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构， 其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性， 传力直接均匀，整体性好， 抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系， 能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。
3.3 筒体体系
凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、 简体一框架、 筒中筒、 多束筒等多种型式。 简体是一种空间受力构件， 分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。 简体体系具有很大的刚度和强度， 各构件受力比较合理， 抗风、 抗震能力很强， 往往应用于大跨度、 大空间或超高层建筑。
四、城市高层建筑结构分析
4.1 高层建筑结构分析的基本假定
高层建筑结构是由竖向抗侧力构件(框架、 剪力墙、 筒体等)通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。要完全精确地按照三维空间结构进行分析是十分困难的。各种实用的分析方法都需要对计算模型引入不同程度的简化。下面是常见的一些基本假定：
(1)弹性假定
目前工程上实用的高层建筑结构分析方法均采用弹性的计算方法。在垂直荷载或一般风力作用下， 结构通常处于弹性工作阶段，这一假定基本符合结构的实际工作状况。但是在遭受地震或强台风作用时， 高层建筑结构往往会产生较大的位移， 出现裂缝， 进入到弹塑性工作阶段。此时仍按弹性方法计算内力和位移时不能反映结构的真实工作状态的， 应按弹塑性动力分析方法进行设计。
(2)小变形假定
小变形假定也是各种方法普遍采用的基本假定。但有不少人对几何非线性问题(p—△效应)进行了一些研究。一般认为，当顶点水平位移△与建筑物高度 h 的比值△／h>1／500 时， p—△效应的影响就不能忽视了。
(3)刚性楼板假定
许多高层建筑结构的分析方法均假定楼板在自身平面内的刚度无限大，而平面外的刚度则忽略不计。这一假定大大减少了结构位移的自由度， 简化了计算方法。 并为采用空间薄壁杆件理论计算筒体结构提供了条件。 一般来说，对框架体系和剪力墙体系采用这一假定是完全可以的。 但是， 对于竖向刚度有突变的结构， 楼板刚度较小， 主要抗侧力构件间距过大或是层数较少等情况， 楼板变形的影响较大。 特别是对结构底部和顶部各层内力和位移的影响更为明显。可将这些楼层的剪力作适当调整来考虑这种影响。
(4)计算图形的假定
高层建筑结构体系整体分析采用的计算图形主要是三维空间分析。二维协同分析并没有考虑抗侧力构件的公共节点在楼面外的位移协调(竖向位移和转角的协调)，而且， 忽略抗侧力构件平面外的刚度和扭转刚度对具有明显空间工作性能的简体结构也是不妥当的。
三维空间分析的普通杆单元每一节点有 6 个自由度，按符拉素夫薄壁杆理论分析的杆端节点还应考虑截面翘曲，有 7 个自由度。
4.2 高层建筑结构静力分析方法
（1） 框架一剪力墙结构
框架一剪力墙结构内力与位移计算的方法很多，大都采用连梁连续化假定。 由剪力墙与框架水平位移或转角相等的位移协调条件，可以建立位移与外荷载之间关系的微分方程来求解。由于采用的未知量和考虑因素的不同， 各种方法解答的具体形式亦不相同。 框架一
剪力墙的机算方法， 通常是将结构转化为等效壁式框架， 采用杆系结构矩阵位移法求解。
（2） 剪力墙结构
剪力墙的受力特性与变形状态主要取决于剪力墙的开洞情况。单片剪力墙按受力特性的不同可分为单肢墙、小开口整体墙、联肢墙、 特殊开洞墙、 框支墙等各种类型。 不同类型的剪力墙，其截面应力分布也不同， 计算内力与位移时需采用相应的计算方法。 剪力墙结构的机算方法是平面有限单元法。 此法较为精确，而且对各类剪力墙都能适用。但因其自由度较多，机时耗费较大， 目前一般只用于特殊开洞墙、 框支墙的过渡层等应力分布复杂的情况。
（3） 筒体结构
筒体结构的分析方法按照对计算模型处理手法的不同可分为三类：等效连续化方法、等效离散化方法和三维空间分析，这里主要讨论三维空间分析。等效连续化方法是将结构中的离散杆件作等效连续化处理。 一种是只作几何分布上的连续化， 以便用连续函数描述其。
，内力； 另一种是作几何和物理上的连续处理， 将离散杆件代换为等效的正交异性弹性薄板， 以便应用分析弹性薄板的各种有效方法。 等效离散化方法是将连续的墙体离散为等效的杆件，以便应用适合杆系结构的方法来分析。这一类方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子结构法等。
五、小结
通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径,而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资,而降低技术和质量标准,又要反对重技术、 轻经济,设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求,实现建筑物适用、 安全、 美观、 经济的目标。结构造价在建筑工程中所占的比重很大, 通过精心设计所带来的经济效益是十分可观的。实现安全与经济的最佳结合,也是衡量一个结构设计人员专业水平和能力的主要标准。