畢業(yè)設計論文--概念設計在高層辦公樓結(jié)構(gòu)設計中的應用

1、<p>　　概念設計在高層辦公樓結(jié)構(gòu)設計中的應用</p><p>　　【摘 要】概念設計，一般指不經(jīng)數(shù)值計算，在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。在高層建筑結(jié)構(gòu)設計中，為了保證在地震區(qū)高層建筑的工程設計質(zhì)量和提高其延

2、性性能，依據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程（JGJ3-2002）和建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2001）中有關加強抗震概念設計的部分內(nèi)容，通過畢業(yè)設計實例從建筑、結(jié)構(gòu)設計的簡單性、整體性、規(guī)則性和均勻性、結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力等方面加以闡述概念設計的具體運用。</p><p>　　【關鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)布置；概念設計</p><p>　　【Abstract】Conceptual

3、 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

4、-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 de

5、termine the overall structural layout an</p><p>　　【Key words】High-rise building; structural analysis; structural arrangement; conceptual design</p><p><b>　　1、概念設計概述</b></p>&l

6、t;p>　　概念是在頭腦中形成的反映對象本質(zhì)屬性的思維形式，它是將所感知事物的共同本質(zhì)特點抽象出來加以概括而形成。概念設計一般指不經(jīng)數(shù)值計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，根據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體角度來確定建筑結(jié)構(gòu)總體布置和抗震細部措施的宏觀控制。它要求在設計過程中始終貫穿和應用結(jié)構(gòu)概念，是一種定性而非定量的分析

7、，是整體宏觀控制和細部構(gòu)造措施、設計原理和工程實踐經(jīng)驗相結(jié)合的設計思想。</p><p>　　從總體上控制的概念設計是一個結(jié)構(gòu)方案設計的基礎，與建筑結(jié)構(gòu)的形式、建筑類別、抗震等級、基礎及主體的安全等級有關，對建筑物的安全性和經(jīng)濟性將產(chǎn)生重大的影響，這并非某條梁或某塊板減少配筋量所能比擬的。因此在方案設計階段就運用概念設計的思想是非常必要和及時的，而且要將它貫穿應用于整個設計過程，才能為建筑結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、適

8、用性和經(jīng)濟性提供有力的保證。</p><p><b>　　2、工程概況</b></p><p>　　本工程擬建于福州市區(qū)，地下一層，地上二十層，其建筑用途為商場和辦公樓，總建筑面積為33500m。擬建場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。修正后的基本風壓取 0.7kN/m，地面粗糙程度為C類。</p&

9、gt;<p>　　地質(zhì)資料顯示， 該場地土層自上而下分別為：① 雜填土，層厚1.5～2.2m；② 粉質(zhì)粘土，層厚0.3—2.00m；③ 淤泥質(zhì)土，層厚3.4～6.3m；④ 中砂夾薄層淤泥，層厚7.10～10.7m；⑤ 淤泥質(zhì)土，層厚2.70～3.5m；⑥ 粉質(zhì)粘土、層厚1.2—3.4m；⑦ 中砂，層厚3.30～4.50m；⑧ 卵石，層厚為8.6～10.2m；⑨ 強風化花崗斑巖。</p><p>　　

10、3、概念設計在結(jié)構(gòu)設計中的應用</p><p>　　概念設計之所以重要，在于在方案設計階段，初步設計過程是不能借助于計算機來實現(xiàn)的。這就需要綜合運用結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案，為此，需要我們不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，并能有意識地、靈活地運用它們。因此我在結(jié)構(gòu)設計中從以下幾個方面來進行概念設計：</p><p>　　3.1 場地條件和基礎選型&l

11、t;/p><p>　?。?）場地穩(wěn)定性與適宜性評價：</p><p>　?、?地基土液化可能性判定及軟土震陷判別</p><p>　　據(jù)勘察揭露，在場地下20m深度范圍內(nèi)存在④中砂夾薄層淤泥，根據(jù)標準貫入試驗和靜力觸探，經(jīng)計算，④層中砂夾薄層淤泥為輕微液化土，整個場地液化等級為輕微。</p><p>　　擬建場地上部淤泥質(zhì)土承載力特征值為55KP

12、a，波速值均大于90cm/s。因此可不考慮淤泥產(chǎn)生的震陷觸變影響。</p><p>　?、?場地穩(wěn)定性與適宜性評價</p><p>　　擬建場地較為平坦，沒發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)及地面沉降等不良地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)災害；另外擬建場地雖有飽和砂類土，但屬輕微液化，可采用樁基等有效措施，仍適宜建設。</p><p>　　（2）本工程設1層地下室，對結(jié)構(gòu)整體抗震性能較有

13、利，故結(jié)合地質(zhì)條件，我們選用穩(wěn)定性好、施工速度快、質(zhì)量可靠又經(jīng)濟的高強混凝土預應力管樁。</p><p>　　3.2 結(jié)構(gòu)體型的選擇</p><p>　　高層混凝土結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等。</p><p>　　本工程高度大于60米，由于框架結(jié)構(gòu)在高度較高時，水平位移會很大，結(jié)構(gòu)損傷較嚴重，而剪力墻結(jié)構(gòu)要設置較

14、多的剪力墻，不利于辦公空間的布置。故選擇框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻所組成的結(jié)構(gòu)體系。由于框架結(jié)構(gòu)具有側(cè)向剛度差，水平荷載作用下的變形大，抵抗水平荷載能力較低的缺點，但又具有平面布置較靈活、可獲得較大的空間、立面處理易于變化的優(yōu)點；剪力墻結(jié)構(gòu)則具有強度和剛度大，水平位移小的優(yōu)點與使用空間受到限制的缺點。將這兩種體系結(jié)合起來，相互取長補短，可形成一種受力特性較好的結(jié)構(gòu)體系：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。

15、</p><p><b>　　框剪結(jié)構(gòu)的特點有：</b></p><p><b>　　1. 變形特點</b></p><p>　　框-剪結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下，同時承受垂直荷載和水平荷載，在低層建筑結(jié)構(gòu)中，水平作用所產(chǎn)生的內(nèi)力和側(cè)移很小，通?？梢院雎?，此時結(jié)構(gòu)設計受垂直作用控制。隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，由水平作用

16、引起的內(nèi)力和側(cè)移逐漸加大，成為結(jié)構(gòu)設計的主要控制因素。下圖是建筑物高度與荷載效應的關系。</p><p>　　由圖可知，隨著高度增加側(cè)移增加最快，彎矩次之，軸力增加較緩，所以高層建筑的結(jié)構(gòu)不僅需要有較大的豎向荷載承載能力，更需要有較大的水平剛度，使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)移限制在一定的范圍內(nèi)，這是因為:</p><p>　?、龠^大的側(cè)向變形會使人不舒服，影響使用。</p><p

17、>　?、谶^大的側(cè)向變形會使填充墻或建筑裝修出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯、軌道變形。</p><p>　?、圻^大的側(cè)向變形會使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，甚至損壞。</p><p>　?、苓^大的側(cè)向變形會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，產(chǎn)生P-△二次效應。</p><p>　　因此，計算高層建筑水平荷載作用效應是結(jié)構(gòu)分析的主要任務之一。</p><p><

18、b>　　2. 受力特點</b></p><p>　　框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成共同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中，框架主要承受豎向荷載，剪力墻主要承受水平剪力。單片剪力墻相當于一根豎向懸臂梁，在水平力作用下，位移曲線呈彎曲型，而框架的位移曲線則呈剪切型。當它們共處于同一結(jié)構(gòu)體系中工作時，結(jié)構(gòu)的位移曲線介于兩者之間呈彎剪型。如右圖所示。</p><p>　　3.3

19、 結(jié)構(gòu)平、立面布置以及與建筑設計的協(xié)調(diào)</p><p>　　結(jié)構(gòu)平面布置應盡量簡單、規(guī)則、對稱，盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，以減小扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的豎向布置要做到剛度均勻和連續(xù)，避免剛度突變和出現(xiàn)薄弱層。當有抗震設計要求時!結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，當上下層結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化時，要設置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。對規(guī)范規(guī)定的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，應進行進一步的抗震驗算，并對抗震薄弱部位采取有效的加強措施，對嚴重不規(guī)則的方案應不

20、予采用。</p><p>　　高層結(jié)構(gòu)的平立面布置，除了上面提到的要求外，重要的一點就是要與建筑設計進行協(xié)調(diào)，本工程在進行結(jié)構(gòu)平立面布置時，從以下幾個方面考慮與建筑設計密切配合，使得建筑不但美觀實用，而且結(jié)構(gòu)受力合理：</p><p>　?、僦W(wǎng)和剪力墻的布置要滿足建筑平面功能要求。</p><p>　　②建筑平面開間進深要盡量統(tǒng)一,便于結(jié)構(gòu)構(gòu)件標準化。</p

21、><p>　?、劢ㄖw系變化不宜復雜。柱子剪力墻不能錯位,其截面不能明顯縮小或取消,同一樓層樓面標高要盡量一致,不宜設計錯層和局部夾層,防止短柱及剪力集中。</p><p>　?、軜翘蓍g、電梯間不宜布置在受力復雜或應力容易集中的轉(zhuǎn)角部位,如因需要無法滿足上述要求時,必須采取加強結(jié)構(gòu)措施。</p><p>　?、莘浅兄貥?gòu)件要選用輕質(zhì)材料,承重構(gòu)件采用高強材料,以便減輕結(jié)構(gòu)

22、自重,降低設計荷載。</p><p>　?、扪刎Q向分段改變構(gòu)件截面尺寸和混凝土等級，使結(jié)構(gòu)剛度自下而上遞減，而且，在變化時，尺寸的改變和強度改變錯開樓層布置，避免樓層剛度產(chǎn)生較大突變。</p><p>　　標準層墻柱平面布置圖</p><p>　　3.4 抗震設防類別和抗震等級的確定</p><p>　　抗震設防類別關系到整個建筑的抗震設防烈

23、度和抗震等級，對結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟性影響較大，應嚴格按《建筑抗震設防分類標準》(GB50223-95)的規(guī)定執(zhí)行!合理分類,再結(jié)合結(jié)構(gòu)體系和建筑高度確定抗震等級。本工程按丙類設防，其中框架與剪力墻的抗震等級均為二級。</p><p>　　3.5 結(jié)構(gòu)電算中的概念設計</p><p>　　在進行結(jié)構(gòu)電算時我們運用了PKPM08版的結(jié)構(gòu)電算軟件，在進行結(jié)構(gòu)電算時，要運用概念設計對結(jié)構(gòu)分析軟件的計

24、算結(jié)果進行分析判斷，確認其合理、有效后方可作為工程設計的依據(jù)。</p><p>　　《高規(guī)》明確規(guī)定要求在增加附加偏心距（5%L，L為邊長）的情況下計算校核位移比。然而附加了偏心距以后，計算所得的扭轉(zhuǎn)角已不能反映結(jié)構(gòu)本身的性能了。完全對稱的結(jié)構(gòu)在增加了5%L的附加偏心距（即在SATWE中選中“偶然偏心”選項）以后，似乎變成“不對稱”了，而且邊長愈長，結(jié)構(gòu)愈“不對稱”，實際上，附加偏心距以后計算得到的位移比不能反映

25、結(jié)構(gòu)布置是否合理。如果誤以為凡是位移比超限的結(jié)構(gòu)剛度布置都不對稱或不勻均，單純?yōu)榱藵M足位移比數(shù)值要去調(diào)整剪力墻布置，不但解決不了問題，有時候可能造成另外一些不合理，例如可能形成剛度過大，或者本來對稱的結(jié)構(gòu)變成不對稱，邊長愈長的結(jié)構(gòu)愈是如此。</p><p>　　另外要檢查和確定所設計的結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心是否相差過大，是否需要調(diào)整剪力墻的布置，應當在不附加偏心距的狀態(tài)下進行計算。其次，可以看到，增加抗扭剛度，能夠在一定

26、程度上減少位移比，而剛性構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的布置對結(jié)構(gòu)抗扭剛度有較大的影響，提高抗扭剛度是概念設計中改進結(jié)構(gòu)抗震性能的重要措施之一。</p><p>　　周期比的限制，對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)都容易實現(xiàn)，但是對于某些不利布置的結(jié)構(gòu)，例如風車形布置的結(jié)構(gòu)或較長的結(jié)構(gòu)，它們的扭轉(zhuǎn)周期可能較長，按《抗規(guī)》要求調(diào)整時有兩種方法：一是降低平移剛度，使平移周期加長；二是提高抗扭剛度（例如在周邊加剪力墻等）。如果原來的結(jié)構(gòu)剛度很大，層間側(cè)移遠

27、小于限制值，則第一種方法可行。第二種方法可以改善結(jié)構(gòu)抗扭性能，是解決結(jié)構(gòu)抗扭薄弱的根本方法。在結(jié)構(gòu)變?nèi)岷?，扭轉(zhuǎn)角較大會對抗震不利，因此最好是在盡量提高抗扭性能的基礎上，減少平移剛度，剛性構(gòu)件設置愈靠建筑邊緣，抗扭剛度改善愈多。但是，將周邊剪力墻的連梁加高，雖然有利于增加抗扭剛度，但造成剪力墻延性減小，不利于抗震。</p><p>　　位移比和周期比是一個相對的數(shù)值，在相同的位移比下，當結(jié)構(gòu)剛度較小、平均側(cè)向位移較

28、大時，扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大位移也較大，可能它對結(jié)構(gòu)的危害也較大；相反，如果是同樣的位移比，當結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小時，結(jié)構(gòu)的最大位移也較??；規(guī)范沒有區(qū)分不同情況，而是采用了統(tǒng)一的位移比限值。對于剛度較大的結(jié)構(gòu)（層數(shù)不多，高度不大或剪力墻較多的住宅結(jié)構(gòu)）或高層建筑底部有偏置裙房，而裙房高度不大時，要求似乎有些過嚴了。此時可以將位移比與位移最大值進行綜合考慮，在剛度較大、位移較小、且扭轉(zhuǎn)周期符合要求的結(jié)構(gòu)中，適當放寬位移比限制值，同時要求采取提高抗扭承

29、載力或其它有效的抗扭措施，以確保結(jié)構(gòu)安全。</p><p><b>　　4、總結(jié)</b></p><p>　　建筑結(jié)構(gòu)設計中，建筑結(jié)構(gòu)概念設計無疑是高層結(jié)構(gòu)設計過程中最為重要的一環(huán)，運用概念設計方法，可以在建筑設計的方案階段就迅速有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思比較與選擇，從而使方案概念清晰和定性正確，避免在后期設計階段出現(xiàn)一些不必要的繁瑣運算，具有良好的經(jīng)濟性和可靠性，同時

30、也可作為判斷計算機程序內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)是否可靠的主要依據(jù)。對于實際存在的大量無法計算的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計，可以運用優(yōu)秀的概念設計與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設計的目的，彌補現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計理論與計算理論之間存在的某些缺陷或不可計算性。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 中華人民共和國國家標準，《民用建筑設計通則》（GB 50352-2005），

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33、</p><p>　　[7] 呂西林，高層建筑結(jié)構(gòu)（第二版），武漢，武漢理工大學出版社2003.7.</p><p>　　[8] 中華人民共和國國家標準，混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB50010-2002)，北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002. </p><p>　　[9] 中華人民共和國建設部標準，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)范》（JGJ3-2002），北京:中國建筑工業(yè)