高層建築結構設計論文

　　隨著科學技術的不斷髮展,功能俱全的高層建築越來越多。高層建築結構設計也越來越成為建築結構工程師的重要工作內容。下面是小編為大家整理的，供大家參考。

　　範文一：探究高層建築結構邊節點抗震效能

　　1試驗概況

　　1.1試驗構件設計和製作

　　邊節點試驗構件取用承重框架樑柱反彎點之間的一個平面組合體，即“T字形”試件。為有效保證試件的澆築質量和垂直度，並與工程實際相符，全部試件均採用鋼模板、立模澆築。邊節點構件柱子的截面尺寸為200mm×200mm，樑的截面尺寸為150mm×250mm，縱向受力鋼筋採用HRB400級，箍筋採用HPB235級。柱子的配筋率為1.13%，樑的配筋率為0.9%，所有構件配筋率和鋼筋的強度相同。為防止柱頭破壞，柱上、下兩端箍筋加密;節點核心區按照抗震要求對箍筋進行了加密處理。本次試驗共包括7根試件，詳細的試驗構件概況如表1所示，構件的尺寸和配筋圖示，節點核心區採用柱混凝土的構件，施工縫留設在樑下部;節點核心區採用樑混凝土的構件，分別在樑上和樑下留設兩道施工縫，施工縫處澆築時間間隔為2天***48小時***。

　　1.2試驗方法和載入裝置

　　採用低周反覆試驗方法進行研究，載入制度為力—位移混合控制載入，在開始載入到構件屈服前採用力控制;構件屈服後，改用屈服位移的整數倍為級差作為回載控制點，每一位移下迴圈3次。在實際框架結構中，當作用水平荷載時，上柱反彎點可視為水平可移動鉸，相應的下柱反彎點可視為固定鉸;而節點兩側樑的反彎點可視為水平可移動鉸。這樣可以有兩種載入方案：一種是在柱端施加水平荷載或位移，這時樑能夠左右移動而上下受到約束，產生剪力和彎矩。這種邊界條件比較符合實際結構中的受力狀態;另一種是將柱保持垂直狀態，在樑的自由端施加反覆荷載或位移，此時邊界條件變為上下柱反彎點為不動鉸，樑反彎點為自由端。本次試驗採用的是柱端載入的方式，即採用在柱頂施加軸向力和水平力的方式進行試本次試驗在東北電力大學結構試驗室進行，採用美國MTS公司生產的MTS液壓式伺服載入系統進行試驗，採用MTS動態資料採集系統進行資料採集。試驗自行設計了載入裝置，豎向載入裝置由反力架和1000kN數控電動液壓伺服作動器組成，水平載入裝置由反力牆和500kN數控電動液壓伺服作動器組成。試件垂直安放，為了保證柱的上、下兩端為理想的球鉸，在柱端設定了帶有滾動軸的墊板，墊板上部為可轉動的油壓千斤頂，柱下端為固定鉸支座;樑端由剛性連桿與地面鉸支座相連，保證樑端可以水平移動但是不能垂直移動。試驗載入裝置示意圖如圖2所示。

　　2邊節點試驗結果與分析

　　2.1破壞現象

　　邊節點構件BZ1為節點核心區採用樑中混凝土強度的構件，構件破壞圖片如圖3所示。構件初始裂縫出現在樑端第一箍筋處，正向開裂荷載為10kN;反向開裂荷載為20kN;裂縫擴充套件速度較快，裂縫區域主要集中在樑的端部範圍內，節點核心區只有少量細小的裂縫出現，沒有明顯破壞。構件最後在樑端形成塑性鉸，塑性鉸發展充分構件BZ1的柱子和樑的實際配合比相差2個強度等級，說明當樑柱強度等級相差較小時，節點能夠滿足抗震設計要求。當延伸長度為0.5h時，出現裂縫的範圍較小;當延伸長度為1.5h時，出現裂縫的範圍較大;延伸長度為h時，裂縫的範圍居兩者之間;同時，只有延伸長度為0.5h時，在樑的根部出現了破壞裂縫。從開裂荷載上看，延伸長度為1.5h的構件開裂荷載最大，說明延伸長度對樑的開裂荷載有一定的影響。節點核心區均未產生明顯的破壞，這是由於所有構件均採用了“強節點，弱構件”的設計原則，節點核心區的箍筋做了加密，採用了柱子的混凝土強度澆築節點核心區;與樑和柱子相比較，節點具有更好的抵抗低周反覆荷載的能力。

　　2.2骨架曲線和滯回曲線不同軸壓比和不同延伸長度下，邊節點核心區採用柱子混凝土強度的構件骨架曲線對比。軸壓比越大，滯回曲線的剛度也越大。在0.3和0.5軸壓比下，延伸長度對骨架曲線的形態、屈服荷載和最大荷載都沒有顯著影響，而延伸長度為0.5h的試件，下降段更陡峭一些。光滑;軸壓比越大，滯回曲線的剛度也越大;從解除安裝曲線上看，主筋在節點存在一定量的滑移。其餘邊節點構件的滯回曲線，均呈較光滑的梭形。

　　2.3承載力和延性效能分析邊節點構件的試驗結果，延性係數取用最大位移***即構件的最大承載力對應的位移***與屈服位移的比值，屈服位移由圖解法確定。從表2可以看出，在0.3軸壓比下，延伸長度為1.5h時的延性效能最好，為3.26;延伸長度為h時的延性效能稍差，為3.11;延伸長度為0.5h時的延性效能最小，為2.53;延伸長度對屈服荷載和最大荷載沒有顯著影響。在0.5軸壓比下，延伸長度為h時的構件延性效能最好，為2.73;為1.5h時的延性效能稍差，為2.41;為0.5h時的延性效能最小，為2.38。從試驗結果可見，延伸長度為0.5h時，延性效能最差，隨著延伸長度的增加，延性效能增大。延伸長度為1.5h時的試件最大荷載略高於其他構件，延伸長度對屈服荷載沒有顯著影響。從試驗結果可以看出，當構件所承受的軸壓比較低時，即使樑柱邊節點核心區採用強度較低的樑中混凝土，其承載能力仍能滿足要求，但是延性效能弱於節點核心區採用柱子混凝土強度的構件。

　　3結論

　　***1***從破壞現象上看，試驗構件的破壞均為樑端的受彎破壞。當構件所承受的軸壓比較低時，即使邊節點核心區採用強度較低的樑中混凝土，其破壞形態仍為樑端受彎破壞，但是延性效能略有下降。

　　***2***從試驗結果上看，柱子中高強混凝土在樑中的延伸長度為1.5h時的承載能力和開裂荷載最大，延伸長度對屈服荷載沒有顯著影響。

　　***3***從延性效能上看，在0.3軸壓比下，延伸長度為1.5h時的延性最好，為h時的延性稍差，為0.5h時的延性最小。在0.5軸壓比下，延伸長度為h時的構件延性最好，為1.5h時的延性稍差，為0.5h時的延性最小。從試驗結果可見，延伸長度為0.5h時，延性效能最差，隨著延伸長度的增加，延性效能增大。

　　範文二：高層建築結構設計優化探究

　　結構優化設計的管理措施

　　以施工為主營的總承包商在海外D&B專案中，面臨著諸多挑戰，就本專案而言，主要面臨的問題有:①由於專案的特殊性，業主方已經完成專案的結構方案設計，雖規避了部分設計風險，同時也失去了設計的主動權。不僅對結構優化設計產生一定的侷限性，而且還需承擔原設計存在的缺陷風險。②由於設計規範、法律、文化背景與國內情形有很大差別，僅僅依靠承包商自身技術力量難以完成設計任務。③採用設計分包，設計的核心技術往往由設計方控制，承包商多以被動接受，難以有效進行技術控制。④結構設計方案與現場施工脫節問題。⑤結構優化設計，涉及多部門、多專業工種，技術協調工作繁重。⑥專案合同工期壓力大，5棟塔樓的合同工期為32個月。針對上述問題，制定了相應的控制思路和具體管理流程。

　　1控制思路

　　1***改變管理觀念和意識在傳統施工承包模式下，由業主方提供設計檔案，承包商沒有得到工程師相關變更指令，必須“按圖設計與施工”，原則上不得對原設計進行任何改動。然而在D&B專案，承包商造價控制關鍵在設計階段。因此，要從根本上改變傳統施工總承包管理觀念和意識，建立適應D&B專案總承包專案特點的新型設計、施工管理體系，充分發揮優化設計的核心作用和優勢。2***優選設計公司，組建優化團隊首先在結構技術設計階段，採用設計分包，並優選國際知名的設計諮詢公司，為城市之光專案提供高質量的方案和設計支援。其次為發揮優化設計的核心作用和優勢，聯合本地一家聲譽好、結構優化設計經驗豐富的工程諮詢公司，對設計方提供結構設計方案，再進行優化設計。一方面彌補自身技術力量薄弱的特點，另一方面對設計方案進行技術監督與控制。3***樹立優化設計與施工整合思想結構設計方案常常能滿足建築功能和結構安全可靠度的要求，然而往往設計人員施工經驗不足，對施工流程和工藝不熟悉，致使設計與現場施工脫節，造成施工難度加大，成本支出增加。因此結構優化設計階段，始終樹立優化設計與施工整合思想。同時要求施工技術人員積極參與設計方案討論，緊密結合建築結構特點和所採取的施工措施，將技術、材料和施工工藝進行綜合考慮，以達到降低施工難度和工程造價的目的。4***各個專業統籌兼顧，力爭全域性協調一致在工程設計過程中，涉及多部門、多專業工種，其中包括結構、建築、電氣、給排水、暖通、煤氣等專業工種。由於各個專業各自獨立設計，勢必造成設計方案從區域性看是合理的經濟方案，但從全域性看未必是合理優良的方案。因此結構優化設計時，不僅滿足建築功能及規範的要求，而且還需各個專業統籌兼顧，力爭全域性協調一致，達到最優方案。

　　2管理實踐

　　根據上述的控制思路，並結合城市之光專案的特點，制定優化設計施工管理體系的流程，分階段對設計方案進行優化，如圖2所示。

　　結構優化設計技術措施

　　1技術設計階段結構優化措施

　　為滿足建築功能的要求，結構設計往往不是唯一的，不同的結構方案會使工程造價和工程質量產生很大的差別，甚至決定專案建設的成敗。因此在滿足建築功能和結構安全可靠的前提下，著重分析結構設計的先進性和經濟性。通過對原結構設計方案的分析發現，原設計結構平面佈置較為均勻，東西對稱，豎向荷載傳遞合理。但是，首先對設計方提出結構優化設計的具體措施:①提高結構材料的利用率，儘量採用高強度的鋼筋及混凝土;②對5棟塔樓筏板以及裙樓筏板重新驗算與設計;③對於水平承載構件，儘量採用預應力混凝土無樑板;④選擇正確的結構計算方法;⑤優化設計與施工整合思想。然後再根據設計方提供的結構設計方案，聯合專業的結構公司通過最優的結構驗算，再進行優化，實現設計方案的技術監督與控制，提高設計的質量。

　　提高材料的利用率。結構優化設計目的是提高結構設計的價效比，對結構材料的選用要合理，利用要充分。要根據結構構件的不同受力特點、工作環境和材料本身力學效能，選用合適的結構材料，對於高層建築尤為重要。①採用高強度的鋼筋，主要優點有減少鋼筋用量，減小結構構件的尺寸，減輕結構自重。本專案採用強度級別為460N/mm2熱軋帶肋鋼筋。②儘可能採用高強度的混凝土，充分利用混凝土的抗壓效能，不僅減小構件的截面尺寸，增加使用空間，而且減輕自重提高設計質量。如5棟塔樓的豎向結構混凝土強度等級主要為C60，水平承載結構混凝土強度等級為C40。③對於高層結構的轉換層和受力結構複雜的節點部位，採用型鋼混凝土結構和預應力混凝土結構，利用材料的力學效能，組合使用，以達到適用、安全、經濟的目的。如C10a塔樓的L16剪力牆採用型鋼混凝土結構，將原來8道混凝土剪力牆減少到4道。

　　筏板基礎。1***塔樓的筏板基礎該專案5棟塔樓基礎為筏板基礎，原設計方案中C2，C3和C10，C11塔樓的筏板厚度為3m;C10a塔樓筏板厚度為3.5m，通過分析發現，可以減小筏板厚度和配筋率，並提出兩種優化方案:①方案1保持筏板頂標高和厚度不變，減少5%的鋼材用量;②方案2保持筏板頂標高不變，筏板厚度減小500mm，同時可以減少15%混凝土用量和5%的鋼材用量。對兩種方案進行比較，方案2的經濟效益明顯較好。但是，由於現場樁基礎已經施工完成，即樁頭標高已定。如果採用此方案，保持筏板頂標高不變，因樁頂標高低於筏板底500mm，難以實現。如果保持筏板底標高不變，B3地下室淨空間增大500mm，一方面業主不認可，另一方面因淨高的增加致使一系列的結構構件需要重新設計，如樓梯、坡道等，不經濟。因而最終採用方案1，節約5%塔樓筏板基礎鋼筋用量。2***裙樓的筏板基礎C10，C11裙樓淺筏板總面積約5945m2，C2，C3裙樓淺筏板總面積約4297m2，設計方提供的方案為:筏板的厚度均為500mm，其中樁帽區域鋼筋為:T1&T2為Y16-150;B1&B2為Y25-150，非樁帽區域為，T1&T2為Y12-125;B1&B2為Y16-175。為此聯合專業結構優化設計公司，計算分析發現原筏板設計過於保守。提出具體優化措施:①利用裙樓筏板鋼筋取代樁帽上部鋼筋;②裙樓筏板的厚度從500mm減至400mm;③合理減小鋼筋配筋率，為雙層雙向Y12-150鋼筋網片。如圖3，4所示。

　　水平承載構件儘量採用預應力無樑板。採用預應力無樑混凝土板相對於普通混凝土樑板的最大優點在於節約鋼材用量和降低施工難度。原設計方案中，5棟塔樓的樓板全部為普通混凝土板，裙樓樓板為普通混凝土板加區域性預應力板，預應力板所佔的比例較少。為此，優化具體措施為:①4000mm×4000mm×375mm柱帽構造措施，取消部分混凝土樑。②由於裙樓面積較大和預應力板的鋼絞線張拉限制，設定多條後澆帶;③將5棟塔樓核心筒外圍的混凝土板全部設計為預應力板;④對於跨度較大的混凝土樑，設計成後張法預應力鋼筋混凝土樑。如C10a塔樓○F3和○F5軸線之間的混凝土樑最大跨度達17.2m，採用後張法預應力混凝土樑，不僅降低施工難度，而且減少鋼筋和混凝土用量。以C10，C11裙樓L6層為例，原設計預應力混凝土板的面積佔該層總面積的25%，優化後預應力混凝土板的面積佔該層總面積的79%，大大提高了預應力混凝土板的比例，如圖5所示。

　　選擇正確的結構計算。結構優化設計的過程就是對結構方案追求完美的過程。然而在結構優化設計過程中，設計方重視設計速度，以完成任務為前提，設計人員往往不注重工程造價，常常為了保險起見，加大安全係數，只要保證設計方案不出現大的質量問題，方案的好壞、造價的高低無關緊要。因此選擇正確的結構計算尤為重要，為此聯合專業結構優化設計公司，對結構設計方案進行技術監督與控制。例如對裙樓擋土牆及剪力牆，通過建立結構模型，重新分析驗算，使結構達到最優化。C10，C10a，C11塔樓505m長地下室擋土牆，原設計方案共有5種類型，從地下3層至首層牆體厚度都為500mm，並設計不同型別的拉接鋼筋，間距為Y12-125***max***，如圖6所示。為此，結合相關設計引數和地質勘探報告，根據不同深度的土壤對擋土牆水平側壓力不同和豎向承載力的變化，對擋土牆進行再驗算。優化結果:①牆厚範圍地下3層至地下2層為400mm，地下2層至地下1層為300mm，地下1層至首層為250mm。②根據美標ACI318-0514.3.6的規定，如果豎向鋼筋的配筋率≤0.01，則可不設定水平方向拉筋。但考慮現場施工要求，設定Y10@450～500水平拉筋，便於豎向鋼筋固定。③按結構設計總說明的要求，拉筋兩端為180°彎鉤，施工難度較大，為此優化拉筋樣式為一端90°，一端180°。

　　優化設計與施工整合思想。在技術設計階段，始終樹立優化設計與施工整合思想。應緊密結合建築結構特點和所採取的施工措施，將技術、材料、施工工藝和施工措施的優點集中體現在優化設計方案中，避免設計與施工脫節，造成施工成本增加，同時降低施工難度，保證了工期。以C2，C3塔樓臺模水平運輸為例進行說明。C2，C3塔樓樓板採用臺模體系，由於結構形式為剪力牆加核心筒結構，如圖7所示，剪力牆與核心筒相連，使得臺模水平運輸困難。如果利用塔式起重機週轉臺模，施工難度大且進度慢。為此根據結構特點和施工要求，採用預留施工洞口，即在剪力牆上預留4.0m×2.9m***寬×高***洞口，以方便臺模水平週轉運輸。經與設計方協商，在保證結構安全前提下，通過優化設計，C2塔樓從L7至L32層，在每層軸線○RC/○RD/○RE預留6個洞口，C3塔樓從L7至L28層，在軸線○RK/○RL/○RM預留6個洞口;待結構施工完成，洞口將用磚牆砌築。通過上述措施，一方面降低施工難度，顯著提高施工進度，另一方面用磚牆代替混凝土，減少鋼材和混凝土用量。由於篇幅有限，其他案例不再贅述。

　　2施工圖設計階段結構優化措施

　　施工圖設計是根據已經批准的設計圖紙進行的深化設計。施工圖質量對現場的施工質量起到至關重要的影響。為此通過對結構的施工圖紙進行優化設計，進一步對工程造價進行控制。主要採取的措施有:精細化設計，採用標準設計，控制區域性小的變更在現場施工之前的措施。1***精細化設計結構的施工圖紙越精細，現場施工越順利，而且易於發現區域性設計差異。為此，可以採取以下措施:①針對結構構件，如樑、板、柱、牆，精細到每根鋼筋，標明鋼筋尺寸及根數、長度、搭接位置及長度等，大大降低鋼筋放樣階段浪費;②針對複雜結構，精細到每個節點，標明尺寸、高度等。③對於結構構件平面定位，不僅標明具體的尺寸，而且精確到每個座標點。2***標準設計在施工圖設計階段採用標準設計可以降低工程造價，具體為:減少深化設計的工作量，提高設計的效率，大大縮短施工圖設計週期;採用標準構件可以加快工程施工進度，減少材料浪費，標準設計有較強的通用性，可以大量重複使用，較為經濟。如樑上洞口標準加鋼筋節點，裝置基礎標準配筋節點，圈樑構造柱節點，剪力牆標準配筋節點等。3***儘量控制區域性小變更在現場施工之前在施工圖精細化過程中，對於區域性設計差異，及時與設計方溝通，並通過變更節點直接用於現場施工;對於施工難度較大的節點，及時提出合理建議，調整區域性設計，降低施工難度。將此類區域性小變更控制在現場施工之前，避免現場返工，有利於對施工成本的控制。

　　結構優化設計經濟效益

　　通過結構優化設計在本專案取得了很好的經濟效益，節約大量的材料，降低勞動力的使用量，提高施工進度。僅與優化公司聯合優化的部分，就節約了混凝土2.7萬m3，鋼筋約136t，合計減少材料成本1680萬迪拉姆。

　　結語

　　通過在本高層專案設計階段的結構優化設計，總結了在D&B總承包合同模式下結構優化設計控制思路與管理實踐，並結合措施與案例分析。實踐證明，傳統施工承包商在D&B專案中採用結構優化設計，有效控制工程造價，並取得良好的經濟效益。同時也給同類D&B專案，提供結構優化設計借鑑。但是在D&B總承包合同下，對優化設計也面臨一些認識不足的問題:①設計方重視設計速度，以完成任務為前提，通常提供單一化的方案，可比性不強;②所有的優化方案必須經原設計方的認同並作修改，再次審批和施工圖評審，導致設計週期延長，甚至影響現場施工進度;③對設計方案存在的缺陷，缺乏量的界定、責任的劃分和可供操作的處罰條款，是不負經濟責任的設計對造價控制缺乏基本的原動力，還有待在實踐中不斷加以完善和提升。