淺談高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

伍茜

摘要：目前，城市建設(shè)目新月異，各種高層建筑如雨后春筍。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如何做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的整體結(jié)果分布更均勻、設(shè)計(jì)更合理是十分重要的課題。本文是作者結(jié)合某高層建筑設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)該工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一些問題進(jìn)行探討。

關(guān)鍵字：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1 工程概況

某高層建筑設(shè)計(jì)使用功能要求集展銷、外貿(mào)、餐飲、辦公、居住和旅游于一體．屬綜合性公共建筑。主樓占地面積9483m2,總建筑面積19737m2，主樓高73．6m，地面以上19層、地下1層，主樓建筑面積為12091m2；裙樓高3層。建筑面積為7646m2。建筑平面如圖l所示。

1.1 結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì)

綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計(jì)使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計(jì)要求。裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式，主樓采用框架—剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。

本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)中 剪力墻主要承擔(dān)水平作用，框架承擔(dān)少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形 樓梯均設(shè)置在角部位置，為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力，剪力墻結(jié)合樓電梯間設(shè)在主樓結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對(duì)角位置，具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形限值，由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。

1.2 建筑縫的處理設(shè)計(jì)

本建筑由主樓和裙房兩部分組成。在二者的連接部位需設(shè)置建筑縫?？紤]到主樓部分高度較大、結(jié)構(gòu)有效重量大，裙房部分高度較低．因此二者問需設(shè)置防震縫和沉降縫。對(duì)于防震縫。為避免書樓和裙房間連接部位留出較大的寬縫，給裙房屋頂防水處理帶來困難．本建筑采用“抗”的方法 在結(jié)構(gòu)分析時(shí)．將主樓和裙房視為一個(gè)整體進(jìn)行抗側(cè)力設(shè)計(jì)計(jì)算：對(duì)于沉降縫，結(jié)合主樓需設(shè)一層地下室的建筑要求，設(shè)計(jì)中將主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成樁基礎(chǔ)。而將裙房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成柱下條形基礎(chǔ)，通過兩類基礎(chǔ)的沉降變形計(jì)算，相應(yīng)調(diào)整和消除主樓和裙房兩部分的不均勻沉降差。施工時(shí)，在主樓和裙房連接部位預(yù)留1.5m寬后澆帶。通過施工手段局部調(diào)整高低兩部分間的沉降差。

1.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的場(chǎng)地工程地質(zhì)條件。并考慮主樓和裙房間荷載分布的不均勻性特點(diǎn),主樓部分結(jié)合地下室的設(shè)計(jì)采用深樁筏板基礎(chǔ)．以提高主樓結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。降低主樓部分的沉降變形。

裙房部分采用柱下條形基礎(chǔ) 通過修工條形基礎(chǔ)的寬度來調(diào)整基底反力．進(jìn)一步控制裙房部分的基礎(chǔ)沉降變形。使主樓結(jié)構(gòu)和裙房結(jié)構(gòu)在各自使用荷載作用下,能產(chǎn)生基本上一致的基礎(chǔ)沉降變形量。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一，它同時(shí)具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活。能獲得大空間，建筑立面易于處理，以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度人、整體性好、抗震能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框—剪結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有雙重承載體系的非常復(fù)雜的空間受力體系，力學(xué)分析難度較大．其優(yōu)化設(shè)計(jì)就更為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。所以，盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做過許多有益的嘗試．但框—剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還存在很多具有重大工程意義和科學(xué)意義的課題。2.1 框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個(gè)多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)，其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān)。還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)。即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后，根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果，由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化。優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化。各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化。據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此框架結(jié)構(gòu)的分郜優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過程，計(jì)算結(jié)果雖不總能等價(jià)于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果．但通常能給出工程實(shí)用的滿意結(jié)果。

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟為：

(1)初始選型：根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計(jì)使用功能，分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線，并考慮施工因素，歸并框架梁、柱的類型，初選梁柱的幾何尺寸；

(2)結(jié)構(gòu)分析：按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何構(gòu)造特征，計(jì)算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力，根據(jù)其大小進(jìn)行分類，并確定每一類構(gòu)件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力；

(3)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)：針對(duì)每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。得出優(yōu)化約束條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

(4)收斂性判斷：在工程精度意義上選取一個(gè)較小的數(shù)值，作為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)收斂性的條件，進(jìn)行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致，則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的?？梢赞D(zhuǎn)入下一步的可行性判斷，否則轉(zhuǎn)回第(2)步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(5)可行性判斷：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理，作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整，直到方案可用為止。

2.2框—剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

框—剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面的優(yōu)化問題：① 結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策；②框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計(jì)；③ 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。

2.2.1第一階段：最優(yōu)設(shè)防水平I 的優(yōu)化決策

根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定，在預(yù)測(cè)地震烈度概率分析基礎(chǔ)上，用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強(qiáng)度、損傷等級(jí)概率和震害損失的預(yù)估期望值E(Id)，在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下，使k1C(Id)+K2K3E(Id)達(dá)到最小，求出最優(yōu)抗震設(shè)防烈度Id。

2.2.2 第二階段：剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合,可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移,結(jié)構(gòu)延性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層問位移和頂點(diǎn)總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。

2.2.3 第三階段：框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則,在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對(duì)框—剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2.4 框—剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

(1)分析結(jié)構(gòu)平面、立面布置特點(diǎn)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選定剪力墻抗側(cè)力構(gòu)件的布置位置及幾何厚度；

(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)使用荷載特點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸并框架結(jié)構(gòu)類型，并初步選定每一類型框架結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的幾何尺寸；

(3)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的空間內(nèi)力分析；

(4)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果。檢查結(jié)構(gòu)的層間位移及頂點(diǎn)總位移是否滿足規(guī)范要求。若滿足規(guī)范要求，則轉(zhuǎn)入第5步進(jìn)行判斷：若不滿足規(guī)范要求．則直接返回第1步，進(jìn)行剪力墻水平截面面積的修正；

(5)剛度最優(yōu)化判斷：比較結(jié)構(gòu)實(shí)際側(cè)移值和規(guī)范限值，若｜且，則轉(zhuǎn)入第6步進(jìn)行計(jì)算；否則轉(zhuǎn)入第1步，并用原剪力墻厚度乘以修正系數(shù)，來修正剪力墻幾何尺寸，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；

(6)分別進(jìn)行剪力墻和框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(7)收斂性判斷：比較優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的接近程度，若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致，則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的，可以轉(zhuǎn)入下一步進(jìn)行可行性判斷。否則將優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)回第3步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(8)可行性判斷：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理．作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整。直到方案可用為止。

3 結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)亟待解決而又非常復(fù)雜的工程難題．特別是超高層建筑或大跨結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益．而且對(duì)結(jié)構(gòu)受力的合理性以及新型結(jié)構(gòu)形式的研究和推廣都具有十分重要的科學(xué)意義。