土木工程毕业设计（论文）-高层结构抗侧力与竖向承载体系的优化设计.doc

毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 高层结构抗侧力与 竖向承载体系的优化设计 学 生 罗兆奇(专业: 土木工程) 指导教师 袁聚云(单位: 土木工程学院地下工程系) 赵 昕(单位: 同济大学建筑设计研究院) 【摘要】 随着经济的发展，高层建筑在国内外以迅猛的速度发展。高层结构自重大、设计难、造价高，选择一个 合理的结构体系十分重要。本文将高层结构体系分为抗侧力体系与竖向承载体系（主要是楼盖体系） ，分别针对具 体工程实例进行优化。抗侧力体系方面以某高层剪力墙结构为研究对象，采用我国常用的结果设计软件SATWE进 行优化设计，并对优化前后的结构性能、经济性等进行对比分析。楼盖体系方面则研究了一个高层框架结构，在 技术经济层面上对比了主次梁楼盖体系与无梁楼盖体系。两者的优化都取得了不错的效果。 【关键词】 高层结构；抗侧力；竖向承载；楼盖体系；优化设计 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 Structural Optimization for Lateral and Vertical Load Resisting Systems of High-rise building Author LUO Zhao Qi (Major: Civil Engineering) Supervisor YUAN Ju Yun (Department: Geotechnical Engineering) ZHAO Xin (Department: Tongji Architectural Design) 【Abstract】 With the development of economy ,high rise building has been widely used in the world .Because of the difficulty and high cost in high rise building structure design, its very important to choose a reasonable structure system .In this paper ,the structure system was divided into lateral and vertical load resisting systems(mainly floor framing systems),and we took structural optimization focused on specific project .For later load resisting systems ,we analyzed a tall building ,adopting our county s current structure calculation software SATWE to model and optimize ,and also contrasted structure s performance and efficiency to original ones. For floor framing systems ,we analyzed a high-rise framing structure ,and compared the main and secondary girder roof system and flab slab system in technical economy level .Therefore ,its efficient to carry on the suitable optimization . 【Keyword】 high-rise building; lateral system ; vertical load; floor framing system; structural optimization 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 高层结构抗侧力与 竖向承载体系的优化设计 学 生 罗兆奇(专业: 土木工程) 指导教师 袁聚云(单位: 土木工程学院地下工程系) 赵 昕(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圭亚那乔治敦城万豪酒店的初步设计。该工程为一间提供 197 间客房的高档酒店。 整体建筑面积：17650m2。建筑层数 9 层，结构高度 36.1m。建筑耐火等级为二级，设计使用年限 50 年。 建筑结构采用现浇筑的钢筋混凝土梁、板、柱组成的钢筋混凝土框架结构。竖向荷载通过混凝土梁板传递到 柱子上，并通过基础传至地基。水平荷载通过梁柱形成的框架结构来承担。 本次工程的设计依据主要有： （1） 国际建筑规范 IBC 2009 （2） 建筑物和其它结构最小设计荷载 ASCE 7-05 （3） 加勒比统一建筑规范 CUBiC （4） 美国混凝土结构规范 ACI 318-08 （5） 钢结构建筑技术规范 AISC 360-05 （6） 混凝土配筋用钢筋标准规范 ASTM A615-09 等。 根据地质报告，可以得出建筑所在地区抗震设防烈度为 6 度区。设计基本加速度值为 0.05g，抗震等级取三级。 根据 CUBiC 的相关要求，基本风速取 27m/s，地面粗糙度为 D 类（相当于中国规范 A 类），建筑居住类别为 II（相当于中国规范丙类）。 根据实际情况确定设计荷载：酒店房间均布活荷载为 2.0kN/m2，总附加恒载为 2.0 kN/m2；楼梯均布活荷载为 5.0kN/m2，总附加恒载为 1.5 kN/m2；公共区域均布活荷载为 5.0kN/m2，总附加恒载为 2.0 kN/m2。 本次初步设计主要内容针对楼面楼盖进行了设计。酒店上部结构为钢筋混凝土结构。承重方案采用主次梁楼 盖体系。 考虑框架间的相互作用，整体框架采用 SATWE 2010 电算。 本次工程的材料选取如下： 混凝土：根据 ACI 318-08 的规定，梁、板构件采用 4000psi（相当于 C30 混凝土），梁柱构件采用 6000psi（相当于 C40 混凝土）。 钢筋：根据 ASTM A615-09 的规定，主体结构中的配筋采用 Grade 60 钢筋（相当于 HRB400 钢筋）。 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 目录 1 绪论.3 1.1 选题背景.3 1.1.1 高层建筑的发展.3 1.1.2 高层结构的特点.3 1.1.3 选题的意义.3 1.2 高层建筑的主要结构体系.3 1.2.1 抗侧力体系.3 1.2.2 竖向承载体系(楼盖体系).3 1.3 高层结构优化设计.3 1.3.1 结构优化设计的发展.3 1.3.2 结构优化设计的层次.3 1.3.3 结构优化设计的特点.3 1.4 本文的主要工作.3 2 剪力墙体系优化.3 2.1 优化原则.3 2.2 工程概况.3 2.3 结构分析.3 2.3.1 设计依据.3 2.3.2 分析软件的选取.3 2.3.3 设计参数的确定.3 2.4 方案优化.3 2.4.1 原结构方案.3 2.4.2 优化后结构方案.3 2.5 结果对比.3 2.5.1 动力特性.3 2.5.2 变形特性.3 2.5.3 内力特性.3 2.5.4 经济分析.3 2.6 本章小结.3 3 楼盖体系优化.3 3.1 工程概况.3 3.1.1 项目背景.3 3.1.2 结构信息.3 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 3.2 楼盖方案.3 3.2.1 主次梁楼盖.3 3.2.2 无梁楼盖.3 3.3 技术经济对比.3 3.3.1 基本假定.3 3.3.2 混凝土用量.3 3.3.3 钢筋用量.3 3.4 本章小结.3 4 结论与展望.3 4.1 结论.3 4.2 展望.3 参考文献.3 附录.3 附录 1 剪力墙项目-SATWE 结构设计信息.3 附录 2 楼盖体系项目-SATWE 结构设计信息.3 附录 3 楼盖体系项目-周期、振型、地震力信息.3 谢辞.3 毕业设计（论文）报告纸 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 共 56 页 第 1 页 装 订 线 1 绪论 1.1 选题背景 1.1.1 高层建筑的发展 人类自古以来就有向高空发展的愿望和需求，并在建筑上付诸实现。公元前 280 年古埃及人 就建造了高 100 多米的亚历山大港灯塔。523 年中国河南登封县也建成了高 40 米嵩岳寺塔。现代 高层建筑兴起于美国，1883 年在芝加哥建起第一幢高 11 层的保险公司大楼，1931 年在纽约建成 高 102 层的帝国大厦。 二战之后，各国人民在重建家园和恢复生产的建设过程中取得了辉煌成就。各类高层建筑如 雨后春笋般耸立于世界各地。到上世纪 30 年代美国的纽约曼哈顿区已高楼林立，其中高 381 米的 帝国大厦更是那一时期的经典之作。与此同时，其余各国亦奋起直追。上世纪 60 年代日本和亚洲 四小龙的各大城市形成了大批的高层建筑群。 二十世纪的最后 20 年，改革开放之后的中国随着综合国力的提高，新建了大批的高层建筑。 上世纪 70 年代末期起，全国各大城市兴建了大量的高层住宅，如北京前三门、复兴门、建国门和 上海漕溪北路等处，都建起 1216 层的高层住宅建筑群，以及大批高层办公楼、旅馆。1977 年 建成的 112.5m 高的广州白云饭店，在国内第一次突破 100m 的高度。 上世纪 90 年代以来，国内高层建筑的高度记录被不断刷新。1997 年完工的上海金茂大厦结 构高度 395 米，建筑高度 421m，成为上海著名的地标性建筑。上海环球金融中心于 2008 年 8 月 29 日竣工，是中国目前第二高楼、世界第三高楼、世界最高的平顶式大楼，楼高 492 米，地上 101 层。而在建的上海中心大厦，于 2014 年竣工后更会达到 632m 的惊人高度。表 1.1.1 列出了目 前全球主要的高层建筑及其相关信息。 表 1.1.1 全球主要高层建筑 图片 毕业设计（论文）报告纸 共 56 页 第 2 页 装 订 线 名称哈利法塔上海中心大厦皇家钟塔酒店世界贸易中心 台北 101 大 厦 环球贸易广场 城市迪拜上海麦加纽约台北香港 国家阿联酋中国沙特阿拉伯美国中国中国 状态已建成在建已建成在建已建成已建成 层数16312195105101108 高度828m632m601m541m509m484m 世界各城市的生产和消费的发展达到一定程度后，莫不积极致力于提高城市建筑的层数。由 此可见，现代高层建筑是城市现代化的重要标志，是一个国家或地区科技水平与经济发展的综合 反映。实践证明，高层建筑是解决迅速增长的城市人口和随之减少的有限空地等问题的有效手段， 可以带来明显的社会经济效益。 1.1.2 高层结构的特点 (1) 水平荷载起决定作用 任何一个建筑结构都要同时承受垂直荷载和风产生的水平荷载，还要具有抵抗地震作用的能 力。在多层结构中，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，对结构的影响也就较小；但在高层结构中，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响， 但相对而言，水平荷载起着决定性的作用。 一方面，因为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，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所引起的轴力，是与楼房 高度的两次方成正比；另一方面，对某一高度楼房来说，竖向荷载大体是定值，而作为水平荷载 的风荷载和地震作用，其数值随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化，因而水平荷载的作用 更加突出。 图 1.1.2 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。 毕业设计（论文）报告纸 共 56 页 第 3 页 装 订 线 图 1.1.2 建筑物高度与轴力、弯矩、侧移的关系 (2) 侧向位移是控制指标 随着楼层高层的增加，水平荷载作用下结构的侧向变形迅速增大。从图 1.1.2 也可以看出，结 构顶点侧移与建筑高度 H 的四次方成正比。 因此，设计高层结构时，不仅要求结构具有足够的强度，能够可靠地承受风荷载作用产生的 内力；还要求具有足够的抗侧刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移被控制在某一限度之内，保 证良好的居住和工作条件。 1.1.3 选题的意义 随着我国都市化与工业化的不断发展，高层建筑的建造已形成快速发展趋势。建筑高度不断 增加，建筑类型与功能越来越复杂，建筑形式也在不断翻新。鳞次栉比的高层建筑大量涌现，已 是都市化的一个重要标志。 高层建筑的出现，使人们在地面的分布形式空间化，节约了时间、增加了土地使用效率。在 同样的建筑面积与基地比值下，高层建筑能提供更多的地面自由空间，用于绿化和公共设施的布 置，改善生活环境。但高层建筑的综合功能和特殊设施使高层建筑的设计错综复杂，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。 当前我国的高层建筑大多处于地震烈度高(深圳、广州、上海、福州为 7 度；北京、海口为 8 度)、风载大(深圳、海口基本风压为 20. 7kN/m2)、工程地质条件差(上海大多数为 III、IV 场地) 的大城市中，同时建筑平、立面日益复杂，结构体系日趋多样化，高宽比大、结构周期长，这些 都给高层建筑结构的精确计算和优化设计提出了新的要求。而所有这些都涉及到结构安全和经济 的重大问题，因而积极探讨高层建筑结构体系的优化设计，具有明显的社会和经济效益。 1.2 高层建筑的主要结构体系 1.2.1 抗侧力体系 毕业设计（论文）报告纸 共 56 页 第 4 页 装 订 线 (1)框架体系 框架结构由梁、板、柱构件组成，是早期多采用的结构体系。框架结构构件类型少，可以在 构建工厂标准化生产，也可以在施工现场采用定型模板进行现浇制作，整体性好和抗震性能较好。 并且框架结构平面布置灵活，空间大，能适应较多功能的需要。因此成为高层建筑的主要结构形 式。但是，框架结构的抗侧移刚度较小，在一般节点连接情况下，当承受侧向的风力或地震作用 时，将会有较大的剪切变形。因此，限制了框架结构的使用高度。总之，在修建高度不大的高层 建筑物时，框架结构体系性能表现良好。 (2)剪力墙体系 剪力墙结构体系是利用现浇配筋墙体作为承受竖向荷载和水平荷载的结构。剪力墙结构具有 较高的抗侧刚度，对抵抗水平风力十分有利，并且现浇的墙体也可以作为房屋的分隔构件，因此， 它适用于小开间的高层建筑，比如宾馆、住宅楼等。 值得注意的是，剪力墙结构的高层住宅楼中，部分中间隔墙是剪力墙。这个不同于框架结构 中的非承载轻质隔墙，是绝对不能拆除的，因为它也属于承重结构体系的一部分。因此，剪力墙 结构体系的空间使用限制很大，不能符合公共建筑的使用要求，而且整体的现浇钢筋混凝土墙体 也造成整个建筑物自重的增大，使建材用量增加，地震力增大，上部结构和基础设计将变得困难。 (3)框架剪力墙体系 框架剪力墙结构体系，即在框架结构中沿纵横方向布置适当数量的剪力墙，可以兼有两者 的优点，取长补短。 框架剪力墙结构变形侧移曲线与相互作用如图 1.2.1-1 所示： 图 1.2.1-1 框剪结构侧移曲线与相互作用 框架剪力墙结构中的大部分的水平荷载(80 90)是由剪力墙来承担的，提高了结构体 系的抗侧刚度。框架结构除了承受竖向荷载外，也可以承受小部分的水平荷载，并且提高了空间 使用的灵活性。 如上图 1.2.1-1 所示，框架结构受到水平荷载的变形表现为剪切变形，而剪力墙部分则为弯曲 毕业设计（论文）报告纸 共 56 页 第 5 页 装 订 线 变形，两部分通过楼板协同工作时，变形必须协