土木工程毕业设计论文.pdf

1 摘要摘要 建筑概念的认识， 原生概念：遮风避雨的场所；抽象概念：艺术之母、凝 固的音乐、石头的史书、空间的艺术、光的艺术；综合概念：集艺术、人文、技 术于一体的满足人们生活、工作的场所。概念设计，一般指不经数值计算，在一 些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题， 依据整体结构体系与分体 系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设 计原则和设计思想， 从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的 宏观控制。在高层建筑结构设计中，为了保证在地震区高层建筑的工程设计质量 和提高其延性性能，依据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）和建筑抗 震设计规范（GB50011-2001）中有关加强抗震概念设计的部分内容，通过毕业 设计实例从建筑、结构设计的简单性、整体性、规则性和均匀性、结构的刚度和 抗震能力等方面加以阐述概念设计的具体运用。 【关键词】高层建筑；结构分析；结构布置；概念设计 2 【 Abstract 】 Conceptual design, not generally refers to numerical calculation, it is difficult to make precise in a number of rational analysis or it is difficult to standardize the requirements，based on the overall structure of system and sub-system relationship between the mechanical, structural damage to the mechanism of damage, testing and engineering experience is obtained by the basic design principles and design ideas, from an overall perspective to determine the overall structural layout and details of measures for earthquake the macro-control. In high-rise building structure design, in order to ensure high-rise buildings in the earthquake zone engineering quality and improve its ductility performance, high-rise building ofconcretestructuresinaccordancewithTechnicalSpecification (JGJ3-2002) and the Earthquake Resistant Design Code (GB50011-2001) concerning the improvement of seismic part of conceptual design，through graduation from the architectural design, structural design of simplicity, integrity, and uniformity of rules, structure and the seismic stiffness of the abilities to be on the concrete application of the conceptual design. 【 Key words 】 High-risebuilding;structuralanalysis;structural arrangement; conceptual design 3 引言引言 设计体制的问题：在建筑 设计的方案阶段，结构工 程师一般不投入工作。限制和 约束了 某些结构工程师知识结构业主所 的问题：注重细节而忽视结构工程师想要的 总体方案。对结构概念空间形 当前结构设计模式的问题：和结构体系式和功 规范+一体化计算机结构不感兴趣，能 设计程序。工作缺乏创 造性 有一定复杂性的工程设计，在建筑方案设计阶段，结构工程师的参与是项目 设计所必要的知识投入。 在此阶段，需要结构工程师对结构体系的总体认识，对结构受力和变形特性 的整体概念，也需要关于结构设计的经验和判断力。 4 1 1、概念设计概述、概念设计概述 概念是在头脑中形成的反映对象本质属性的思维形式， 它是将所感知事物的 共同本质特点抽象出来加以概括而形成。概念设计一般指不经数值计算，尤其在 一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中， 根据整体结构体系与 分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基 本设计原则和设计思想， 从整体角度来确定建筑结构总体布置和抗震细部措施的 宏观控制。它要求在设计过程中始终贯穿和应用结构概念，是一种定性而非定量 的分析，是整体宏观控制和细部构造措施、设计原理和工程实践经验相结合的设 计思想。 从总体上控制的概念设计是一个结构方案设计的基础，与建筑结构的形式、 建筑类别、抗震等级、基础及主体的安全等级有关，对建筑物的安全性和经济性 将产生重大的影响，这并非某条梁或某块板减少配筋量所能比拟的。因此在方案 设计阶段就运用概念设计的思想是非常必要和及时的， 而且要将它贯穿应用于整 个设计过程，才能为建筑结构的安全性、可靠性、适用性和经济性提供有力的保 证。 2、工程概况、工程概况 本工程拟建于福州市区，地下一层，地上二十层，其建筑用途为商场和办公 楼，总建筑面积为33500m 2 。拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速 度值为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为类。修正后的基本风压取 0.7kN/m 2 ，地面粗糙程度为C类。 地质资料显示， 该场地土层自上而下分别为： 杂填土， 层厚 1.52.2m； 粉质粘土，层厚 0.32.00m； 淤泥质土，层厚 3.46.3m； 中砂夹薄 层淤泥，层厚 7.1010.7m； 淤泥质土，层厚 2.703.5m； 粉质粘土、层 厚 1.23.4m； 中砂，层厚 3.304.50m； 卵石，层厚为 8.610.2m； 强风化花岗斑岩。 3、概念设计在结构设计中的应用、概念设计在结构设计中的应用 概念设计之所以重要，在于在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计 算机来实现的。这就需要综合运用结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方 5 案，为此，需要我们不断地丰富自己的结构概念，深入、深刻了解各类结构的性 能，并能有意识地、灵活地运用它们。因此我在结构设计中从以下几个方面来进 行概念设计： 3.1 场地条件和基础选型场地条件和基础选型 （1）场地稳定性与适宜性评价： 地基土液化可能性判定及软土震陷判别 据勘察揭露，在场地下20m深度范围内存在中砂夹薄层淤泥，根据标准贯 入试验和静力触探，经计算，层中砂夹薄层淤泥为轻微液化土，整个场地液化 等级为轻微。 拟建场地上部淤泥质土承载力特征值为55KPa，波速值均大于90cm/s。因此 可不考虑淤泥产生的震陷触变影响。 场地稳定性与适宜性评价 拟建场地较为平坦，没发现滑坡、崩塌、泥石流、采空区及地面沉降等不良 地质现象及地质灾害；另外拟建场地虽有饱和砂类土，但属轻微液化，可采用桩 基等有效措施，仍适宜建设。 （2）本工程设1层地下室，对结构整体抗震性能较有利，故结合地质条件， 我们选用稳定性好、施工速度快、质量可靠又经济的高强混凝土预应力管桩。 3.2 结构体型的选择结构体型的选择 高层混凝土结构常用的结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结 构、筒体结构和巨型结构等。 本工程高度大于 60 米，由于框架结构在高度较高时，水平位移会很大，结 构损伤较严重，而剪力墙结构要设置较多的剪力墙，不利于办公空间的布置。故 选择框架-剪力墙结构， 框架-剪力墙结构体系是在框架结构中布置一定数量的剪 力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差，水平荷载作用下的变形 大，抵抗水平荷载能力较低的缺点，但又具有平面布置较灵活、可获得较大的空 间、立面处理易于变化的优点；剪力墙结构则具有强度和刚度大，水平位移小的 优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来，相互取长补短，可形 成一种受力特性较好的结构体系：框架-剪力墙结构体系。 框剪结构的特点有： 6 1. 变形特点 框-剪结构在正常使用状态下，同时承受垂直荷载和水平荷载，在低层建筑 结构中，水平作用所产生的内力和侧移很小，通常可以忽略，此时结构设计受垂 直作用控制。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，由水平作用引起的内力和 侧移逐渐加大，成为结构设计的主要控制因素。下图是建筑物高度与荷载效应的 关系。 由图可知， 随着高度增加侧移增加 最快，弯矩次之，轴力增加较缓，所以 高层建筑的结构不仅需要有较大的竖 向荷载承载能力， 更需要有较大的水平 刚度， 使水平荷载产生的侧移限制在一 定的范围内，这是因为: 过大的侧向变形会使人不舒服， 影响使用。 过大的侧向变形会使填充墙或建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯、轨 道变形。 过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。 过大的侧向变形会使结构产生附加内力，产生P-二次效应。 因此，计算高层建筑水平荷载作用效应是结构分析的主要任务之一。 2. 受力特点 框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁 组成共同工作的结构体系。在体系中，框架主要 承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平剪力。单片 剪力墙相当于一根竖向悬臂梁， 在水平力作用下， 位移曲线呈弯曲型，而框架的位移曲线则呈剪切 型。当它们共处于同一结构体系中工作时，结构 的位移曲线介于两者之间呈弯剪型。 如右图所示。 3.3 结构平、立面布置以及与建筑设计的协调结构平、立面布置以及与建筑设计的协调 结构平面布置应尽量简单、规则、对称，尽量使结构的刚度中心与质量中心 7 重合，以减小扭转，结构的竖向布置要做到刚度均匀和连续，避免刚度突变和出 现薄弱层。当有抗震设计要求时!结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，当 上下层结构布置发生变化时，要设置结构转换层。对规范规定的不规则结构，应 进行进一步的抗震验算，并对抗震薄弱部位采取有效的加强措施，对严重不规则 的方案应不予采用。 高层结构的平立面布置，除了上面提到的要求外，重要的一点就是要与建筑 设计进行协调，本工程在进行结构平立面布置时，从以下几个方面考虑与建筑设 计密切配合，使得建筑不但美观实用，而且结构受力合理： 柱网和剪力墙的布置要满足建筑平面功能要求。 建筑平面开间进深要尽量统一,便于结构构件标准化。 建筑体系变化不宜复杂。柱子剪力墙不能错位,其截面不能明显缩小或取 消,同一楼层楼面标高要尽量一致,不宜设计错层和局部夹层,防止短柱及剪力集 中。 楼梯间、电梯间不宜布置在受力复杂或应力容易集中的转角部位,如因需 要无法满足上述要求时,必须采取加强结构措施。 非承重构件要选用轻质材料,承重构件采用高强材料,以便减轻结构自重, 降低设计荷载。 沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土等级，使结构刚度自下而上递减， 而且，在变化时，尺寸的改变和强度改变错开楼层布置，避免楼层刚度产生较大 突变。 8 标准层墙柱平面布置图 3.4 抗震设防类别和抗震等级的确定抗震设防类别和抗震等级的确定 抗震设防类别关系到整个建筑的抗震设防烈度和抗震等级， 对结构安全性和 经济性影响较大， 应严格按建筑抗震设防分类标准 (GB50223-95)的规定执行! 合理分类,再结合结构体系和建筑高度确定抗震等级。本工程按丙类设防，其中 框架与剪力墙的抗震等级均为二级。 3.5 结构电算中的概念设计结构电算中的概念设计 在进行结构电算时我们运用了PKPM08版的结构电算软件，在进行结构电算 时，要运用概念设计对结构分析软件的计算结果进行分析判断，确认其合理、有 效后方可作为工程设计的依据。 高规明确规定要求在增加附加偏心距（5%L，L为边长）的情况下计算 校核位移比。然而附加了偏心距以后，计算所得的扭转角已不能反映结构本身的 性能了。完全对称的结构在增加了5%L的附加偏心距（即在SATWE中选中“偶然 偏心”选项）以后，似乎变成“不对称”了，而且边长愈长，结构愈“不对称”，实 际上， 附加偏心距以后计算得到的位移比不能反映结构布置是否合理。如果误以 为凡是位移比超限的结构刚度布置都不对称或不匀均， 单纯为了满足位移比数值 要去调整剪力墙布置，不但解决不了问题，有时候可能造成另外一些不合理，例 如可能形成刚度过大，或者本来对称的结构变成不对称，边长愈长的结构愈是如 9 此。 另外要检查和确定所设计的结构刚心与质心是否相差过大， 是否需要调整剪 力墙的布置，应当在不附加偏心距的状态下进行计算。其次，可以看到，增加抗 扭刚度，能够在一定程度上减少位移比，而刚性构件在结构中的布置对结构抗扭 刚度有较大的影响， 提高抗扭刚度是概念设计中改进结构抗震性能的重要措施之 一。 周期比的限制， 对于大多数结构都容易实现， 但是对于某些不利布置的结构， 例如风车形布置的结构或较长的结构，它们的扭转周期可能较长，按抗规要 求调整时有两种方法：一是降低平移刚度，使平移周期加长；二是提高抗扭刚度 （例如在周边加剪力墙等） 。 如果原来的结构刚度很大， 层间侧移远小于限制值， 则第一种方法可行。第二种方法可以改善结构抗扭性能，是解决结构抗扭薄弱的 根本方法。在结构变柔后，扭转角较大会对抗震不利，因此最好是在尽量提高抗 扭性能的基础上，减少平移刚度，刚性构件设置愈靠建筑边缘，抗扭刚度改善愈 多。但是，将周边剪力墙的连梁加高，虽然有利于增加抗扭刚度，但造成剪力墙 延性减小，不利于抗震。 位移比和周期比是一个相对的数值，在相同的位移比下，当结构刚度较小、 平均侧向位移较大时， 扭转产生的最大位移也较大， 可能它对结构的危害也较大； 相反，如果是同样的位移比，当结构侧向位移较小时，结构的最大位移也较小； 规范没有区分不同情况， 而是采用了统一的位移比限值。 对于刚度较大的结构 （层 数不多，高度不大或剪力墙较多的住宅结构）或高层建筑底部有偏置裙房，而裙 房高度不大时，要求似乎有些过严了。此时可以将位移比与位移最大值进行综合 考虑，在刚度较大、位移较小、且扭转周期符合要求的结构中，适当放宽位移比 限制值， 同时要求采取提高抗扭承载力或其它有效的抗扭措施， 以确保结构安全。 4、总结、总结 建筑结构设计中， 建筑结构概念设计无疑是高层结构设计过程中最为重要的 一环， 运用概念设计方法，可以在建筑设计的方案阶段就迅速有效地对结构体系 进行构思比较与选择，从而使方案概念清晰和定性正确，避免在后期设计阶段出 现一些不必要的繁琐运算，具有良好的经济性和可靠性，同时也可作为判断计算 机程序内力分析输出数据是否可靠的主要依据。 对于实际存在的大量无法计算的 10 结构构件的设计，可以运用优秀的概念设计与结构措施来满足结构设计的目的， 弥补现行结构设计理论与计算理论之间存在的某些缺陷或不可计算性。 参考文献参考文献 1 中华人民共和国国家标准， 民用建筑设计通则 （GB 50352-2005） ，北京：中国建筑工 业出版社，2005。 2 中华人民共和国国家标准， 建筑设计防火规范 （GB50016-2006） ，北京：中国建筑工 业出版社，2006。 3 中华人民共和国国家标准， 高层民用建筑