结构设计选型优化浅析

关键词：高层建筑，设计 ，转换层 

　　1高层建筑结构体系选型的影响因素 

　　高层建筑是个单体，可统计性差、影响因素多，并且多个影响因素之间往往相互制约，从信息角度讲：它的不确定以及不确知的信息多，同时其综合性也很强。高层建筑的结构方案不仅仅取决于力学分析，且应该综合考虑到环境、经济、安全、适用性等综合因素，决策于分复杂。我们只能考虑其中主要因素，忽略次要因素的影响；注意各影响因素可能具有的层次性，不同因素之间存在的连续性，以及这些影响因素综合起来对整个结构选型有具有一定的模糊性。 

　　对于千差万别的建筑方案除了考虑美学因素以外，影响高层建筑结构选型的主要因素可以简要的归纳为： 

　　1）环境条件：主要包括建筑抗震设防烈度、建设场地类别、基本风压以及基本雪压等自然环境因素。 

　　2）建筑方案特征：主要包括方案建筑的高度和层数、高宽比、长宽比以及建筑体型。每一种结构形式都有其各自的特点以及适用性，考虑到经济的原因也就有了各自的适用高度。我国的《抗震规范》以及《高规》均给出了每一种常见建筑结构体系的适用高度。 

　　3）建筑功能要求：结构是为建筑服务的，所以结构的布置必须满足建筑功能的要求。建筑的功能基本上分为住宅、办公楼、旅馆和综合楼，某种功能的建筑可能只有某几种结构形式与之相配。例如高层住宅，由于其使用空间较小，分隔墙体较多，各层的平面布置基本相同，通常比较适合采用剪力墙或框架一剪力墙结构。 

　　4）建筑材料：建筑材料对建筑的影响是非常大的，可以说是至关重要。每一次建筑高度的突破，都伴随着建筑材料的革新。在多层建筑中，水平荷载处于次要地位，结构的荷载主要是竖向荷载。由于楼层少，高度低，对材料的强度要求不高，因此结构选型比较灵活，受制约条件较少。且高层建筑由于楼层多，竖向荷载大，并且在水平荷载作用下，竖向构件中会产生很大的附加轴力和水平剪力。为了满足结构强度的要求，就不得不加大构件的断面尺寸；且建筑功能要求结构构件所占面积尽可能小，这就要求结构材料应具有较高的强度，对于有抗震设防要求的建筑还应具有良好的延性，使得自身荷重大的结构体系的应用受到很大的限制。对于大多数的高层建筑以及超高层建筑，最优考虑的结构形式还是结构自身重量小、强度高的钢结构、钢一混凝土组合结构或者劲性混凝土结构。所以，结构材料应具有轻质、高强、延性好等性质，是高层建筑结构选型的基本要素之一。 

　　2高层建筑结构体系优化 

　　如上文所说，每一种结构体系都有其适用的经济高度，对于同一栋高层建筑，往往可以有不同的结构体系可以选择。到底选择那一种结构体系比较经济合理，这就牵扯到结构体系优化的问题。 

　　在钢筋混凝土以及钢结构的设计中，有一些基本的原则能够改善结构的受力性能，提高结构的抗震能力，且不需要明显地增大建筑成本。 

　　1）增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力，从材料力学的基本知识可以知道，同样面积、不同形状，可以获得不同的其几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其它条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的二次方的比例减小。当然，必须考虑“剪力滞后”的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。 

　　2）设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的柑架体系；在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力；调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。 

　　3）增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。 

　　4）水平作用的传递主要是依靠楼板，并巨目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。故此，每一层楼盖应该具有足够的刚度和连续性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的构件能够协同工作成为整体，且非各自独立。 

　　5）设置多道设防体系。目前，世界工程抗震的主要思想基本上是一致的：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。由于地震作用具有不确定性，防止在罕遇烈度时建筑物发生倒塌，多道抗震防线概念对于实现这一目标是有效的，从且可以保障人民生命的安全。 

　　3高层建筑转换层问题 

　　许多转换层结构的转换层位置都比较高，一般做到3 -6层，有的工程达到了7-10层甚至更高，设计的基本方法基本上同底层框支剪力墙一样。《高规》[5]第10.2.2条明确规定：“底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，8度时不应超过3层，7度时不应超过5层，6度时其层数可适当增加”。 并且研究转换层对建筑结构各方面的影响成为高层设计中的重点。 

　　1）转换层设置高度对框支剪力墙结构刚度突变的影响 

　　针对同一结构，变化其转换层设置的高度，进行分析比较以后发现结构设计沿用底层框支剪力墙抗震设计概念，仅仅控制上部剪力墙结构与下部框支剪力墙结构的层剪切刚度比，当转换层比较低时，基本上可以控制转换层附近楼层层间位移角不发生突变；然且随着转换层设置高度的增加，柔性的框架在整个结构中所占的比重在逐渐加大，因此结构的整体刚度会随转换层设置高度的增加而被削弱。仅仅控制层剪切刚度比是远远不够的，还需要控制转换层下部框支结构的等效刚度。控制的目的是为了使转换层上下部分结构的变形特征以及刚度接近，从总体上看结构连续，以避免转换层附近刚度突变，即使结构能够等效于同样高度的非转换结构。 

　　2）转换层设置高度对框支剪力墙结构内力以及传力途径变化的影响 

　　转换层设置高度不同对倾覆力矩的分配和传递并未造成明显的突变，这主要是因为在转换层下部是以剪力墙为主的框架一剪力墙结构，落地剪力墙所承担的地震倾覆力矩由转换层往下传递较快，且支承框架的倾覆力矩递增量较小，转换构件处框支剪力墙的大量剪力通过楼板传递给落地剪力墙，所以，转换层高度的改变不会造成楼层倾覆弯矩的分配和传递途径的突变，但是倾覆弯矩曲线会发生一定的转折。 

　　3）转换层设置越高，框支剪力墙结构越容易形成底部薄弱层 

　　对于底层框支剪力墙结构体系来说，保证底层结构的刚度和强度，使结构在遭遇地震作用时，屈服发生在转换层以上的剪力墙结构中，底层结构不屈服，允许少数构件开裂。拟动力试验结果表明，此概念对于7度和8度抗震设防的底层框支结构来讲是合理的。 

　　1叶献国.建筑结构选型概论.武汉：武汉理工大学出版社，2003. 

　　2陈章洪.建筑结构选型乎册.北京：中国建筑工业出版社，2000.