结构设计中的概念设计分析

1结构概念设计的概念及原则

结构概念设计是先于建筑工程的初步设计，是根据理论与实验研究成果和工程经验等所形成的基本设计原则，进行建筑和结构的总体布置的过程。它是一些结构设计的理念、思想、原则，应结合具体情况创造发挥。这些原则大体有八条:全面考虑原则(也成三维构思原则)、功能协调原则、实际出发原则、精益求精原则、减轻自重、空间作用原则、合理受力原则、优化选型原则［1］。

2高层建筑的风荷载

风作用于建筑物的风压是随着风速、风向的紊乱变化而不停地改变着的。通常将风压作用的平均值视作稳定风荷载，实际风荷载在平均风压上下波动。这种波动风压对建筑物的动力效应在高层建筑结构设计时不能忽略，可以采用加大稳定风荷载的办法来考虑，即在按荷载规范求得的一般风荷载值上乘以大于1的风振系数。风振系数的大小与高层建筑的自振特性有关，包括高度、高宽比等。风对高层建筑的作用不仅是对建筑结构的强度、刚度和稳定性提出要求，而且还有因风引发的其他构件振动效应。因此，在高层建筑的抗风力设计中必须考虑下列因素:1)风振系数的风荷载和重力荷载共同作用下，结构体系的强度、刚度和稳定性要求;2)起伏的风荷载可能对结构整体和连接以及小构件(如玻璃幕墙)等引起动力波动荷载和产生疲劳;3)引起住户不舒适的摇摆频率和幅度，以及听觉上的干扰;4)过度的侧向位移可能引起隔墙、外墙的开裂，机械系统的失调，门的不闭合或产生永久变形;5)高层建筑周围的近风气候对路上行人的影响等。在高层建筑结构设计中把风荷载化为等效水平荷载是容易的，但风的作用是复杂的，对于很高的高层建筑要采用模型在风洞中做实验来确定结构设计时所取得风荷载［2］。

3正确选择合理的结构体系

高层建筑结构体系有:框架结构体系、剪力墙结构体系、框架—剪力墙结构或框架—筒体结构及板柱—剪力墙板体系和框筒结构体系等几种结构体系。框架结构体系:通过合理的设计可获得良好的延性，有较好的抗震性能。但是由于框架结构层间变形较大，在地震区容易引起非结构构件的破坏。剪力墙结构体系:剪力墙间距不能太大，平面布置不灵活，结构自重较大。通常改进楼板做法形成底部大空间剪力墙结构或跳层剪力墙结构。框架—剪力墙结构:在框架中设置剪力墙，两者公共抵抗水平荷载，剪力墙承担大部分水平力，框架则承担竖向荷载，提供较大的使用空间的同时承担少部分水平力。相对于框架结构刚度和承载力都大大提高。高层建筑中水平荷载和地震作用将成为控制因素。高层建筑需要较大承载力和刚度。选择高层建筑结构体系时满足下列要求:1)结构体系应具有明确的计算简图和地震作用传递途径;2)应布置多道抗震防线，防止因部分结构或管配件破坏而导致结构的整体破坏;3)两主轴方向的动力特征相近;4)对于相对薄弱部位，要采取措施提高抗震能力。

4高层建筑结构的抗震概念设计

1)高层建筑结构的抗震概念设计的定义。根据GB50011—2010，建筑抗震概念设计指根据地震灾害和工程经验等形成的基本原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。2)高层建筑结构抗震概念设计的基本原则。结构的布置应规则、对称、受力明确力求简单、传力合理、途径不间断，并应具有良好的整体性。还应满足三水准两阶段的设计准则和四强四弱的原则，即:强柱弱梁、强剪弱弯、强节弱杆、强压弱拉。3)高层建筑抗震概念设计中应注意的抗震构造要求。a．建筑平面设计目标是使建筑物对称于两个轴线，不仅指建筑物本身，而且墙体、柱网甚至洞口布置都宜对称。体型不规则的建筑结构，可在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。b．选择合理的抗侧力结构体系，将柱、墙、桁架类构件结合成整体的体系或单元;也可采用两种体系的组合，称为双重支承结构体系。注意结构体系的布置，使它们的刚度中心(即结构体系所受水平剪力的合力作用点)接近整个建筑物的质量中心(即建筑物所受水平力的合力作用点)。若两者相距甚远，会产生沿建筑物高度分布的扭转效应，它们在设计计算时是不能忽略的。c．楼盖结构在水平地震作用下像一个水平深梁，楼板是它的腹板可以抵抗水平力产生的剪力，周边裙梁或墙是它的翼缘可以抵抗水平力产生的弯矩。地震运动引起基础间的相对运动是引起高层建筑震害的重要原因，因此要减小高层建筑基础各部分之间以及基础和上部结构之间相对变形的可能性。

5高层建筑结构的概念设计案例分析

上海金茂大厦高420．5m(由地平面算至尖塔顶尖)，建筑面积约29万m2，占地约2．3万m2，是当前世界上较高的型钢和钢筋混凝土组合结构建筑。它地下3层，地上主体88层。大楼平面为正八角形，外观上因有横线条而呈13层高状。金茂大厦的主要抗侧力体系是用一个正八角形厚壁混凝土筒体与外伸钢桁架和四边外侧正中处的八个巨型钢―混凝土组合柱相连接所形成的组合结构体系，也是一种核心筒外伸桁架结构体系。在内筒和大柱子之间设置了3道伸臂桁架，位于24层～26层、51层～53层以及85层～87层，伸臂桁架是2层高的钢桁架。87层以上设置了空间钢桁架，一方面承受屋顶设备层的重力荷载，一方面加强了85层～87层的伸臂，保证了核心筒和外柱共同工作。设置伸臂后，大大增加了结构刚度，减小了位移。该体系有着较大的有效宽度来抵抗侧向荷载产生的倾覆力矩，并采用使巨型柱承受较多重力荷载的构造来减少倾覆力矩对巨型柱的上举作用，而且正八角形筒体还具有优越的抗扭能力。楼盖采用组合楼板，钢梁间距为4．4m，楼板是76mm厚压型钢板上现浇82．5mm厚混凝土。金茂大厦设有高承载力的桩基体系，由直径0．9m，2．2cm厚的钢管桩组成，桩要打入地下84m深处的密实砂土层内，单桩设计承载力约为7340kN。金茂大厦这个在上海软土地基上建造的超高层建筑结构，在它的结构概念设计中要考虑下列重大的设计和施工问题:1)主要抗侧力结构体系———厚壁混凝土筒体和巨型组合柱的组合结构体系，作为超高层建筑结构较为有效的结构体系，要注意的是核心筒和巨型柱的位置、外伸桁架的做法和位置、它们之间的连接方式，以及立柱竖向压缩量差异问题的构造处理(即各层楼盖结构系统和布置方案)。2)为了保证金茂大厦具有一定的可靠度，设计中采取了以下做法:a．地基加固，大厦所处的地基条件甚差，桩基桩底达到的深度为我国以往未曾达到的深度，约地面下87m。实际钢管桩最深处为地下84m。b．结构中空，56层以上的部分，外圈是客房，里面是圆筒空间，这样设计有利于提高抗震和抗风能力。c．加箍固化，3道伸壁桁架如同3道“巨箍”，将结构牢牢捆绑住，有效地控制了大厦的平衡。3)预计结构设计中的控制因素———该楼的结构设计是由风力作用下的动力性能控制的。由大厦固有质量、刚度和阻尼特性求得对主轴的基本平移周期为5．7s，扭转周期为2．5s［3］，按此算得的10年重现期加速度和一年重现期加速度均在国际标准规定的可接受范围内。

6结语

概念设计是一种结构设计的新思路，它从宏观上来考虑结构设计的总体方案，并充分发挥各基本构件的性能，通过有机的结合而达到“1+1≥2”的效果。本文通过对高层建筑结构受力和抗震设计的分析，阐明了概念设计在工程中的重要性。进一步认识到结构概念设计在工程中的重要性。在设计中应特别重视结构的概念设计，并用概念设计的方法来优化整体结构，设计中不能陷于只凭计算的误区，要把握全局，全面考虑建筑工程设计问题。

作者：王贺 吴俞辛 薛明琛 单位：聊城大学建筑工程学院

相关专题：化学分析计量杂志 论文大纲格式模板