大跨度混合结构分析及优化设计 毕业设计报告.docx

装订线毕业设计（论文）报告纸大跨度混合结构分析及优化设计学 生 （专业: 土木工程）指导教师 （单位: 土木工程学院地下建筑与工程系）（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structural analysis and optimal designof long-span hybrid buildingauthor （major: civil engineering）supervisor （department: geotechnical engineering） （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大跨度混合结构分析及优化设计学 生 （专业: 土木工程）指导教师 （单位: 土木工程学院地下建筑与工程系）（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。目录1 绪论11.1 研究背景11.1.1 大跨度混合结构的发展11.1.2 大跨度混合结构的特点51.1.3 研究意义61.2 大跨度混合结构体系71.2.1 按建筑功能分类71.2.2 按建筑材料分类71.2.3 按结构布置分类71.2.4 按结构受力分类81.2.5 按结构形态分类81.2.6 综合考虑分类81.3 大跨度混合结构优化设计91.3.1 结构优化设计的发展91.3.2 结构优化设计的层次101.3.3 结构优化设计的特点101.4 本文的主要工作112 大跨度混合结构设计方法122.1 概述122.2 混凝土构件与钢构件的混合122.2.1 概念122.2.2 设计要点152.3 混凝土构件与组合构件的混合182.3.1 概念182.3.2 设计要点242.4 钢构件与组合构件的混合272.4.1 概念272.4.2 设计要点272.5 混凝土构件、钢构件及组合构件的混合292.5.1 概念292.5.2 设计要点292.6 本章小结293 工程实例设计与分析303.1 工程概况303.2 初步设计分析343.2.1 设计依据343.2.2 分析软件选取343.2.3 设计参数确定353.2.4 结构布置413.3 优化设计423.3.1 选型分析423.3.2 方案对比及结论673.3.3 结构布置优化703.3.4 构件优化713.4 经济技术对比723.4.1 建筑效果723.4.2 整体计算结果723.4.3 经济性分析733.5 本章小结734 结论与展望744.1 结论744.2 展望74参考文献75附录78附录1 普通住宅建筑混凝土用量和钢筋用量估算值78附录2 建筑结构总信息79附录3 周期、地震力与振型输出文件88附录4 satwe位移输出文件97附录5 各层荷载平面图101附录6 板配筋计算简图105附录7 各层平面简图109附录8 混凝土构件配筋及钢构件验算简图113谢辞1171 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。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。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。内力或位移ho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，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；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。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1.2.6 综合考虑分类图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中找到适当的位置，同时该分类也启发人们去不断创新、开发出新的混合结构形式。混合结构虽然不拥有自己所专属的力的改向机制，且因而无法视为一种结构体系，但它综合作用的潜力，加上无穷多变组合的可能性，因此具有充分资格去形成一种独立的重要的且完全不同的分支结构体系。刚性构件混合结构和刚、柔构件混合结构的区分界限在于是否含有索（膜）单元和结构体系抵抗变形能力的强弱。1.3 大跨度混合结构优化设计1.3.1 结构优化设计的发展远在古代，人们就已萌生“结构优选”的思想，结构形式由梁演变成桁架、拱，就是人们在探索与寻求重量轻、材料省、受力好的合理结构形式中长期经验的总结。这种朴素的优化思想一直延续到上个世纪，1869年由maxwell及1900年由cilley等人提出同时破坏设计，1904年michell又提出最小体积桁架的设计问题，才使应用于土建结构设计的优化思想有了一定的理论依据，但这些方法的意义在计算机出现之后（1950年）才被认识到。由于这些准则方法比较实用，工程界也容易接受，因此在上世纪50年代及60年代有了快速发展。由于准则法理论上还有些缺陷，在某种情况下，只能得到近似最优解。于是，人们去研究新的方法。上世纪40年代后期发展了数学规划法，它的发展与计算机的发展是同步亦趋的。特别是1960年schmit提出把结构优化设计的数学规划法和结构分析的有限元法联系起来，这曾引起了人们极大的兴趣。数学规划法虽然理论上比较完美，但真正要解决实际问题尚不容易。因此，在上世纪60年代和70年代，人们差不多同时在两条战线上奋进。上世纪80年代以后，人们已经成功地把两方面结合起来研究，实质上是把力学概念和优化技术结合起来，形成规划法与准则法的统一。在这一研究工作中，更显示了作为最优化理论基础的k-t最优性条件的重要意义。结构优化设计是结构设计理论的重大发展。因为同一个设计任务，可以有多种不同的可用的设计方案，从所有可用方案中选出最满意的方案自然是理所当然的追求。结构优化设计从马克斯威尔理论（maxwell，1880）和米歇尔（michell，1905）桁架出现起已有百年，从史密特（schmit，1964）用数学规划来解决结构优化设计算起亦有近50年历史，特别是过去40年内，在理论、算法和应用方面都取得了长足的发展。随着有限元结构分析与非线性数学规划的结合，结构优化设计从此步入了新的时代，分析大型甚至超大型的结构变为可能。这其中比较成熟的理论是把结构设计定义为构件级和整体级两个水准的问题，通过多重有限元结构分析确定逼近最优的构件断面，从而实现构件级优化，同时采用非线性规划方法求解整体级优化问题。经过数次拆分、组合的循环，可以得到最优解。另外，在优化过程中还可以结合弹塑性动力时程分析得到更符合工程实际的优化结果。1.3.2 结构优化设计的层次结构优化设计包含三个层次，即结构选型优化、结构布置优化和结构构件优化。 （1）结构选型优化各个结构的功能要求决定之后，就要根据功能要求为结构选型。例如，要修建一座覆盖空间很大的大跨度结构，可以采用多种结构类型的方案，如拱型结构、悬索结构、网架结构、薄壳结构、薄膜结构等，甚至充气结构。对高层建筑而言，可选用框架结构、框一剪结构、剪力墙结构、筒体结构、悬挂结构等形式。由于对结构的强度、刚度、动力特性、造价、抵御自然灾害的能力、美学效应以及其他社会效应的众多要求，结构选型是一个综合性很强的决策问题，它要求力学、结构、建筑学、美学、经济学等学科的密切配合才能很好地解决。（2）结构布置优化结构体系的优化是先从结构的概念设计入手，使结构的平面布置尽量规则、对称，立面和竖向规则，侧向刚度均匀变化。同时，通过计算和定量分析，对关系到体系整体性能的设计变量，如框架结构的柱网布置、框架剪力墙结构中的剪力墙的数量、平面布置和刚度特征值等进行优化。（3）结构构件优化在给定的结构体系、结构材料、平面布置的情况下，对各个构件进行优化，使结构构件的材料使用量最少，达到最佳的经济效益，这就是结构构件优化。结构构件优化的对象，可能是构件的截面尺寸、剪力墙或者板的厚度、配筋面积等。构件优化最简单有效的方法是利用有限元软件建模。对结构进行计算分析，得到位移和应力，期间不需要对网格进行重复划分，可以利用数学方法来完成优化。对于单元连接的框架结构，杆件的横截面特性发生改变时，就需要重新划分网格；对于具有连续性的板或者壳，可以仅仅把构件厚度作为优化设计变量，在优化过程中，这类设计变量与刚度矩阵是简单的线性关系。因此，结构构件优化主要依靠数学优化算法来实现。1.3.3 结构优化设计的特点近十几年来，把优化理论应用在工程上的研究发展有以下特点：（1）在整体上注重方法论。强调从工程的整体去研究，把工程技术、工程管理和工程经济三者综合起来考虑，追求优化效果的最优化。（2）在工程技术方面，对结构优化设计中，考虑某些量的模糊性。因为结构类型和不同地震区等原因，结构受到的荷载和作用以及材料的性能等这些量具有一定的模糊性，考虑一定的模糊性也许可能使优化设计更加合理，可以给工程带来更好的经济效益。（3）对一些简单或者规则的结构的类型和构件，可以根据计算机编程或者软件进行优化，这种方法随着计算机科技水平的飞速发展，也得到很大的发展，对结构优化的应用有着很好的推动。（4）用cad进行设计时，运用优化理论，形成在设计中应用理论的优化方法，推动了设计的改革。（5）随着智能技术的日益发展，学者正在研究和探索能否采用人工智能的方法来改良和升华结构优化的每个环节，这种智能方法的应用，可以很好的融入到结构设计中，并且省时省力，让更多的设计者对结构进行优化设计，能够很好的推广优化的应用领域。目前，结构优化设计解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命、使用舒适度等更多方面。无论国内还是国外对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随着经济和科技的日新月异，结构优化的发展一定会越走越远，它在实际工程中的应用也会越来越多，前景是非常广阔的。虽然结构优化设计的理论和实践都已比较成熟，但是，现在对于结构优化设计的对象还是主要针对高层建筑，对于大跨度建筑的优化研究较少，而对于大跨度混合结构的优化设计更是少之又少。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。1.4 本文的主要工作随着社会经济和城市化的快速发展，大型城市商业综合体以其多功能、高效率、复杂而统一的特点成为城市现代化的必然产物。同时，在建筑师和工程师的精心设计下，网络密集的交通系统、鳞次栉比的高楼大厦、协调统一的景观环境、先进智能的配套设施使大型城市商业综合体成为了代表城市品牌与生活方式的标志区。大型城市商业综合体，集商业、办公、居住、餐饮、会议、文娱等于一体，功能齐全、规模庞大。对于其建筑结构而言，既有高层、超高层办公塔楼，又有大面积、大跨度、大悬挑的商业裙房，传统单一的结构形式难以满足要求，属典型的大跨度混合结构。因此，本文所研究的大跨度混合结构主要针对大型城市商业综合体，并不包括跨度几十米以上的空间结构。随着人们对大型城市商业综合体美观、功能要求的不断提高，其设计与施工难度也大大加强。结构选型是大跨度混合结构设计的关键之一，合理的混合结构选取，不仅能确保结构满足正常使用和承载力极限状态的刚度、强度以及延性指标，还能较好地发挥材料的性能，加快施工进程，取得良好的经济指标。因此，大跨度混合结构的选型比较与优化设计显得极其重要。本文主要结合具体工程实例，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，掌握并熟悉运用以下设计概念和设计方法：1、 了解大跨度混合结构的分类及运用，并针对具体工程进行比较分析；2、 学习如何利用高层建筑结构空间有限元分析软件（satwe）进行大跨度混合结构的整体建模分析，把握大跨度混合结构的设计控制指标；3、 掌握大跨度混合结构的构件设计验算方法。2 大跨度混合结构设计方法2.1 概述大型城市商业综合体，集商业、办公、居住、餐饮、会议、文娱等于一体，功能齐全、规模庞大。对于其建筑结构而言，既有高层、超高层办公塔楼，又有大面积、大跨度、大悬挑的商业裙房，传统单一的结构形式难以满足要求，而混合结构将不同材料或构件组合在一起，充分发挥各种材料和构件的优势，是一种比较理想的结构形式，因此大型城市商业综合体属典型的大跨度混合结构。对于此类大跨度混合结构，钢混凝土组合楼盖、型钢混凝土梁、型钢混凝土柱、钢管混凝土柱等组合构件运用最多，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。本章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。为便于研究，本章将大跨度混合结构仍按建筑材料分类，且仅考虑混凝土构件、钢构件、组合构件之间的混合，分为混凝土构件与钢构件的混合、混凝土构件与组合构件的混合、钢构件与组合构件的混合、混凝土构件与钢构件及组合构件的混合四类。2.2 混凝土构件与钢构件的混合2.2.1 概念 钢筋混凝土结构是最为普遍的结构形式之一，其将钢筋和混凝土两种材料结合在一起共同工作，利用混凝土抗压和钢筋抗拉，使二者各尽其能、相得益彰，组成性能良好的结构构件。混凝土结构除了充分利用混凝土和钢筋的性能外，还具有下列优点使其能在各种不同的工程中得以广泛应用。1）良好的耐久性混凝土结构中混凝土的强度随时间的增长而增长。当钢筋外的混凝土保护层厚度足够大时，能保护钢筋免于锈蚀，不需要经常保养和维修。即使在恶劣环境中（如处于侵蚀性气体或海水浸泡等），经过合理的设计，并采取特殊的构造措施，一般也能满足工程需要。2）良好的耐火性不采取特殊的技术措施，混凝土结构房屋一般具有13h的耐火时间，不致因火灾导致钢材很快软化而造成结构整体破坏。混凝土结构的抗火性能优于钢木结构。3）良好的整体性现场整浇的混凝土结构各结构构件之间连接牢固，具有良好的整体工作性能，能很好地抵御动力荷载（如风、地震、爆炸、冲撞等）的作用。4）良好的可模性混凝土结构可根据需要浇筑成各种不同的形状，如曲线形的梁和拱、曲面塔体、空间薄壳等。5）可就地取材混凝土结构中用量最多的砂、石等材料可就地取材。还可以将工业废料（如矿渣、粉煤灰等）制成人工骨料或作为添加剂用于混凝土结构中，变废为宝。6）节约钢材与钢结构相比，混凝土结构中用混凝土代替钢筋受压，合理发挥了材料的性能，节约了钢材。当然，混凝土结构也有一些缺点，这些缺点目前在一定程度上阻碍了混凝土结构的广泛应用。如混凝土结构的自重大（素混凝土的容重为2224kn/m3，钢筋混凝土的容重为2425kn/m3），对大跨度结构、高层建筑及结构抗震不利；混凝土易开裂，一般混凝土结构使用时往往带裂缝工作，对裂缝有严格要求的结构构件（如混凝土水池、地下混凝土结构、核电站的混凝土安全壳等）需采取特殊的措施；现浇混凝土结构需耗费大量的模板；施工受季节性的影响较大；隔热隔声性能较差等。随着科学技术的不断发展，这些缺点会逐渐被改进或克服。对于跨度较大的结构，还可以考虑预应力混凝土结构形式。所谓预应力混凝土，就是在结构承载时发生拉应力的地方，对混凝土用某种方法预先施加一定的压应力（产生预压变形），当结构承受由荷载产生的拉应力时，必须先抵消混凝土的预压应力，然后才能随着荷载的增加使混凝土受拉，进而出现裂缝，使结构在使用荷载作用下不至于发生裂缝或过大的裂缝。预应力混凝土的实质是采用预先加压的手段以间接提高混凝土的抗拉强度即极限拉应变，从本质上改善了混凝土容易开裂的特性。这是工程结构设计的一个飞跃发展，是一项意义很大的技术革命。与普通混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有如下的一些特点：1）改善结构使用性能通过对截面受拉区施加预压应力，可以均匀结构内力分布，降低截面应力峰值，使结构在使用荷载下不开裂或减小裂缝宽度，并由于预应力反拱而降低结构的变形，从而改善结构的使用性能，提高结构的耐久性。2）减小构件截面高度，减轻自重对于大跨度、承受重荷载的结构，预应力可以有效地提高结构的跨高比限值。3）充分利用高强钢材在普通钢筋混凝土结构中，由于裂缝宽度和挠度的限制，高强钢材的强度不可能被充分利用。而在预应力混凝土结构中，通过对高强钢材预先施加较高的拉应力，可以使高强钢材在结构破坏前能够达到其屈服强度或名义屈服强度。4）具有良好的裂缝闭合性能与变形恢复性能当作用在结构上的活荷载部分或全部卸载时，预应力混凝土结构具有良好的裂缝闭合性能与变形恢复性能，从而提高了截面刚度，进一步改善结构的耐久性。5）提高抗剪承载力由于预压应力延缓了截面斜裂缝的产生，增加了截面剪压区面积，从而提高了构件的抗剪承载力。另一方面，预应力混凝土梁的腹板宽度也可以做得薄些，以进一步减轻自重。6）提高抗疲劳强度预压应力可以有效降低钢筋的应力循环幅度，增加疲劳寿命。7）具有良好的经济性对适合采用预应力技术的混凝土结构来说，预应力混凝土结构比普通混凝土结构节省20%40%的混凝土和30%60%的纵筋钢材，而与钢结构相比，则可以节省一半以上的造价。但是，预应力混凝土结构所用材料单价较高，相应的设计、施工等比较复杂，而且针对预应力结构的研究工作也有待进一步深入和完善。另外，钢结构也是土木工程的主要结构种类之一，应用相当广泛。和其它材料的结构相比，钢结构具有以下优点： 1）强度高，重量轻钢结构的容重虽然较大，但与其它建筑材料相比，它的强度却高很多，因而当承受的荷载和条件相同时，钢结构要比其它结构轻，便于运输和安装，并可跨越更大的跨度。2）材性好，可靠性高钢材由钢厂生产，质量控制严格，材质均匀性好，具有良好的塑性和韧性，比较符合理想的各向同性弹塑性材料，因此目前采用的计算理论能够较好地反映钢结构的实际工作性能，可靠性高。3）工业化程度高，工期短钢结构都为工厂制作，具备成批大件生产和成品精度高等特点。采用工厂制造、工地安装的施工方法，有效地缩短工期，为降低造价、发挥投资的经济效益创造了条件。4）密封性好钢结构采用焊接连接后可以做到安全密封，能够满足一些要求气密性和水密性好的高压容器、大型油库、气柜油罐和管道等的要求。5）抗震性能良好钢结构由于自重轻和结构体系相对较柔，受到的地震作用较小，钢材又具有较高的抗拉和抗压强度以及较好地塑性和韧性，因此在国内外的历次地震中，钢结构是损坏最轻的结构，已公认是抗震设防地区特别是强震区的最合适结构。6）耐热性较好温度在250以内，钢材性质变化很小，钢结构可用于温度不高于250的场合。当温度达到300以上时，强度逐渐下降，600时，强度降至不到三分之一，在这种场合，对钢结构必须采取防护措施。当然，钢结构的下列缺点有时也会影响钢结构的应用：1）钢材价格相对较贵采用钢结构后结构造价会略有增加，往往影响业主的选择。其实上部结构造价占工程总投资的比例很小，采用钢结构与采用钢筋混凝土结构间的结构差价占工程总投资的比例就更小。以高层建筑为例，前者约为10%，后者则不到2%。显然，结构造价单一因素不应作为决定采用何种材料的主要依据。如果综合考虑各种因素，尤其是工期优势，则钢结构将日益受到重视。2）耐锈蚀性差新建造的钢结构一般隔一定时间都要重新刷涂料，维护费较高。目前国内外正在发展各种高性能的涂料和不易锈蚀的耐候钢，钢结构耐锈蚀性差的问题有望得到解决。3）耐火性较差钢结构耐火性较差，在火灾中，未加防护的钢结构一般只能维持20分钟左右。因此需要防火时，应采取防火措施，如在钢结构外面包混凝土或其他防火材料，或在构件表面喷涂防火涂料等。目前国内外正在研制耐火性能好的耐火钢，以降低防火措施的费用。现在钢材已经被认为是可以持续发展的材料，因此从长远发展的观点，钢结构将有很好的应用发展前景。然而，从以上概述可以看到，无论是单一的混凝土结构，还是单一的钢结构，都各有优缺，在不同时候不同地方有着不可替代的作用，也有着各自的局限性。那么何尝不考虑将二者结合，扬长避短？于是，混凝土构件与钢构件的混合结构应运而生。常见的混凝土构件与钢构件的混合结构形式包括混凝土柱上钢屋盖房屋结构、混凝土柱钢梁框架结构、混凝土框架中采用钢结构连廊等。由于柱主要承受压力，采用混凝土柱可以充分发挥混凝土的材料特性，且可以保证结构的侧向刚度和免去防火、防腐蚀的处理，同时具有良好的可模性和经济性等优点，尤其适用于截面复杂的异形柱。而采用钢梁等构件，可以使结构实现更大的跨度，尤其是轻钢屋盖被广泛应用于商场、超市等房屋。在混凝土结构中局部采用钢构件，不仅可以使房屋在功能上灵活多变，在视觉上轻巧舒适，还可以采用工厂制造、工地安装的施工方法，有效地缩短工期，具有良好的经济效益。2.2.2 设计要点对于混凝土构件与钢构件的混合结构设计，既需要参考混凝土结构和钢结构的设计方法，又需要考虑二者的共同受力机制，尤其是混凝土构件与钢构件的连接处需重点考虑。（1）建模计算对于混凝土柱上钢屋盖房屋结构、混凝土框架中钢结构连廊等，为便于建模分析，常分开建模，最后将屋面荷载及屋盖自重（或连廊荷载及自重）以集中力的形式施加到混凝土框架上。这种建模分析方法可以快速建模，将混凝土结构部分与钢结构部分单独计算分析，有效提高工作效率。然而，这样的计算模型是不准确的，甚至有时是不合理的。因为这种建模分析方法忽略了混凝土结构部分与钢结构部分的共同作用，将连接节点视为铰接，而实际中不存在绝对的铰接，甚至有时是刚接，因此在风荷载、地震作用等水平荷载作用下误差较大，值得设计人员警惕。另外，钢屋盖属于弹性楼盖，抗震计算时不能采用刚性楼板假定，这一条经常被设计人员错用。对于混凝土柱钢梁框架结构，常按照普通混凝土框架结构建模，只是将局部构件定义为钢截面。这种建模分析方法方便快捷，但也存在不合理之处。首先混凝土结构、钢结构是两种完全不同的结构形式，计算方法也截然不同，现在将二者建立在同一个模型中，必然导致结构传力、构件验算等出现错误。其次，计算参数及设计指标的混乱。比如混凝土框架结构与