试论概念设计在高层建筑结构设计的重要(修订).doc

试论概念设计在高层建筑结构设计的重要性摘 要：随着国内经济的快速发展，建筑结构越来越高，建筑结构的形式也越来越复杂，文中着重阐述了概念设计在高层建筑结构的重要性。关键词：结构；概念；设计引言随着国内经济的快速发展，建筑结构越来越高，同时由于人们对建筑美观的追求，建筑结构的形式也越来越复杂，这就对结构工程师的工作提出了更高的要求，在设计中，虽然分析计算是必须的，也是设计的重要依据，但仅此往往不能满足结构的安全性、可靠性的要求，不能达到预期的设计目标，还必须非常重视概念设计。近几次震害分析表明：良好的概念设计是确保结构在地震中能够保持使用性能的必要条件。设计者对于结构概念设计的准确把握，在结构抗震设计中的重要作用。1概念设计的含义及作用结构的概念设计一般是指不经过数值计算，在对高层建筑结构的地震作用、风作用、温度作用、场地土特征、结构的真实效应和一些基本概念的深刻理解的基础上，从整体的角度来指导建筑结构的选型、总体布置和抗震措施。概念设计是从整体上把握结构的抗震性能，具体说来，首先就是要有效地选择结构体系，然后再从平面形式、立面形式等方面综合进行协调，使各空间的要求与其所对应的平、立面形式相吻合，最后充分考虑一些细部构造。运用概念设计的思想，可以拓宽结构的设计思路，突破常规，进行真正的创造性设计工作，这才是结构设计的最高目标。2结构概念设计的原则2.1全面考虑原则结构概念设计时，首先要对其所涉及的各个方面作全面考虑。它包括建筑、结构和施工方面的考虑，使用、功能、美观、技术和经济方面的考虑，以及整体、局部和它们之间关系方面的考虑。在上述三维构思基础上进一步就是二维构思的技术设计阶段，这时主要是分别解决好水平分体系和竖向分体系各自的构件选择和它们的双边关系。在二维构思基础上再进一步就是一维构思的施工图阶段，这时主要是设计计算组成分体系的每个一维构件。2.2实际出发原则结构概念设计时必须从实际出发处理所遇到的各种问题。例如认真考虑当地固有的自然条件、当地历史形成的人文条件、当地当时的资源条件等。2.3减轻自重原则结构所承受的荷载就是两种：竖向荷载和横向荷载。竖向荷载85以上是建筑物自重，水平荷载中的地震荷载与建筑物的自重直接相关，所以减轻自重是一条重要的结构设计原则。2.4合理受力原则（1）从受力和变形看，均匀受力比集中受力好，多跨连续比单跨简支好，空间作用比平面作用好，刚性连接比铰连接好，超静定的受力体系比静定的受力体系好，传力简捷比传力曲折好，要避免不明确的受力状态。（2）从受力和变形分析看，要尽可能利用结构的对称性、刚度的相对性、变形的连续性和协调性；既要分析各部分构件的直接受力状态，也要分析整体结构的宏观受力状态。（3）从抗力和材料看，要尽可能选用以轴向应力为主的受力状态，尽可能增加构件和结构截面惯性矩和抗弯刚度、抗剪切能力和抗减刚度，并合理地选用材料和组织构件的截面。（4）从结构构件自身看，混凝土构件要避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土压溃先于钢筋屈服、钢筋与混凝土的黏结破坏先于构件自身破坏，以避免造成脆性失效。2.5优化选型原则（1）优化结构体系。优化结构体系的前提是掌握各类基本构件的特征，根据环境、使用、建筑和荷载实况优化选择合适的基本构件，确定它们间的联系，形成基本结构单元和它的支撑做法。（2）优化结构布置。在满足使用要求和建筑意向前提下，优化布置楼层盖水平系统、柱墙竖向支撑系统和基础系统。（3）合理构造做法。重点是结构构造做法和建筑构造要求相一致。结构的理论构造要求和施工的实际构造做法相一致。3结构概念设计3.1结构的平面布置结构的平面布置在结构设计中有着重要的地位，根据高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 32002，在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，不应采用严重不规则的平面布置。地震区高层建筑结构的平面布置应符合下列要求：平面布置宜简单、规则、对称，减少偏心，平面长度L及结构平面外伸部分长度均不宜过长。对于任何平面形式的高层建筑来说，其抗侧力结构的布置原则都是尽量使平面的质量中心接近于抗侧力结构的刚度中心，简洁、规整、均匀对称的平面设计对于合理布置抗侧力结构是有利的。但是在实际中，质量的分布不可能做到绝对的均匀，因此不可避免地会产生扭转效应，这时除了考虑平面形状对称外，要注意通过抗侧力构件的布置来提高结构的抗扭转能力。抗侧力构件的不同布置形式见图1。研究表明：把所有立柱放在建筑平面的四侧（见图1a），比立柱均匀分布或者集中在内部（见图1b）更能提高结构的抗扭能力。因此，在布置抗侧力构件如柱、剪力墙时，应尽量往四周布置。 a b高层建筑混凝土结构技术规程第4.3.5条规定：“结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。”在这里，限制周期比的目的就是使结构整体具有必要的抗扭刚度，防止产生不必要的扭转。当不满足要求时，宜调整抗侧力结构布置，尽可能沿周边布置，以最大限度地加大抵抗扭转的内力臂而提高整个结构的抗扭能力。高层建筑混凝土结构技术规程第4.3.5条还规定了结构的位移比：“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的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂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1.4倍。”这一条主要从结构楼层平面布置角度限制了结构的不规则性，避免因过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。3.2结构的竖向布置结构的竖向布置包括竖向构件在结构高度上的变化。良好的竖向构件布置不仅能够满足建筑使用功能的需求，更重要的还能满足结构的安全和传力直接、明确、合理的要求。高层建筑混凝土结构技术规程第4.4.1条第4.4.7对高层结构的竖向布置作了一些规定。控制竖向结构合理性的几个主要参数有：承载力比、刚度比、剪重比。其中，承载力比是指抗侧力结构的层间受剪承载力与相邻上一层的比值，应不小于80。该比值的限定，主要是对结构竖向规则性给出定量界限，避免出现薄弱层。刚度比主要是为了说明竖向刚度规则性的问题。当该层侧向刚度小于相邻上一层的70或小于其上相邻3个楼层侧向刚度平均值的80；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25时为侧向刚度不规则。剪重比是为了考虑结构抗震分析中高阶振型对结构的影响。高层建筑混凝土结构技术规程第3.3.13条及建筑抗震技术规范第5.2.5条均以强制性条文对结构各楼层水平地震作用下的最小剪力提出了要求。3.3转换层设计现在高层建筑的使用功能并不唯一，不同功能的楼层就需要不同的空间划分，因而上下层之间就要求结构形式和结构布置轴线的改变，这往往人为地切断了结构竖向传力路径。为了实现正确传力，就需要在上下层之间设置结构转换层。在转换层构件设计中，水平转换物件应布置简单，受力明确，传力直接。在实际工程中，梁式转换层应用的最广泛，它具有受力明确、传力途径清楚的优点。当需要纵横同时转换时，采用双向梁布置。采用箱形转换层时，由于箱形转换层具有较大的结构尺寸和刚度，因此必须对大空间的底层或下部几层的结构平面进行合理的布置，避免在抵抗水平力时因底层刚度削弱而产生较大的相对位移，造成破坏。当上下柱网轴线错开较多，难以用梁和桁架直接承托时，可以做成厚板，形成板式转换层结构。当底部大空间楼层的柱距较大时，可以考虑使用桁架转换层。桁架式转换层具有刚度大，自重轻，并能跨越很大跨度的特点。在转换层的设计时，必须要考虑结构竖向刚度的变化。转换层往往是竖向结构的薄弱部位，通过转化往往造成下部刚度削弱，为此通过加强落地剪力墙和调整各构件尺寸来解决，特别是框支结构，要严格控制转换层上、下刚度。高层建筑混凝土结构技术规程中附录E对于转换层抗震设计要求做了相应说明。3.4三缝设置原则三缝是指伸缩缝、沉降缝和防震缝。在高层建筑中，为防止结构因温度变化和混凝土干缩变形而产生裂缝，常常隔一定距离设置温度伸缩缝；在结构平面狭长而立面有较大变化时，或者地基基础有显著变化，或者高层塔楼与底层裙房之间，可能产生不均匀沉降，此时可设置沉降缝；对于有抗震设防的建筑物，当其平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置，使之成为较规则时，宜设置防震缝。通过设置三缝，使结构的形状趋于规则，避免了温度、沉降等作用对结构的不利影响，避免了不必要的破坏