高层建筑结构抗震优化设计探讨.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1期 总第 1 5 1 期 高层建筑结构抗震优化设计探讨 战宇 ， 李长凤 ， 张欢 ， 齐浩然 ， 王精源 黑龙江科技学院建筑T程学院， 哈尔滨1 5 0 0 2 7 【 摘要】 针对高层建筑抗震设计的焦点问题 ， 本文探索性的提出具体的抗震优化策略和方法， 将传统的以 力为主的设计思想优化到以材料、 变形为主的设计思想， 并对具体的实例进行了分析， 可供工程结构人员参考。 【 关键词】 高层建筑 ； 抗震设计； 探索； 优化策略 【 中图分类号】 T U 9 7 3 ． 3 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 1 0 1 0 0 4 8 0 4 I NVESTI GATI oN oF oPTn僵 I ZATI oN DES I GN oN SEI S M I C I N HI GH BUⅡ DI NG STRUCTURES Z H A N Y u， L I C h a n g f e n g， Z H A N G H u a n ， Q I H a o r a n， WA N G J i n g y u a n D e p t ．o f C i v i l E n g i n e e r i n g， H e i l o n g j i a n g I n s t i ．o f S c i e ．a n d T e c h ． ， Ha r b i n 1 5 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a n a l y z e a n d d e s i g n h i g h r i s e s t r u c t u r a l s y s t e m a c c u r a t e l y，a n o p t i mu m d e s i g n me t h o d f o r t a l l b ui l d i n g s i s p r o p o s e d i n t he p a p e r，wh i c h t r a ns f e r s t h e d e s i gn i d e a c r e a t i v e l y f r o m the a n a l y z e o f l o a d e ffe c t t o t h a t o f ma t e ria l s a nd d e f o r ma t i o n ． T h e a n a l y z e for a n e n g i n e e rin g e x a mp l e s h o ws i t s e f fi c i e n c y for t he d e s i g n o f t a l l b u i l di ng s ． Ke y wo r d s h i g h r i s e；s e i s mi c；i n v e s t i g a t i o n；o pt i mi z a t i o n d e s i gn 高层抗震设计受到 了世 界各 国学者的广泛关 注 。 ， 高层建筑抗震工作一直建筑设计和施工的重 点 。高层建筑 的发 展 与城 市 民用建 筑 的发展 密切 相 关 ， 城市人口集中、 用地紧张以及商业竞争的激烈化， 促进了人们对高层建筑的需求。我国是一个多地震国 家， 海城、 唐山等强烈地震给我国人民的生命财产造成 了巨大的损失 ， 地震是一种随机震动 ， 有着难于把握 的 复杂性和不确定性 ， 很难 准确预测 建筑物所 遭遇地 震 的特性和参数 。因此 ， 为 了保 证该 结构在 罕遇地震 作 用下不出现严重破坏危及生命财产安全不致倒塌 ， 本 文从在抗震设计中， 以概念设计的目标出发 ， 直至进一 步通过一些结构措施 隔震措施， 消能减震措施 来减 震 ， 减小结构上的地震作用 ， 使得建筑在地震 中有 良好 而经济的抗震性能， 从而来探索高层建筑抗震优化设 计理念及优化措施 。 1 高层建筑 结构抗震的优化策略 在对结构的抗震设计 中， 从概念设计 ， 抗震验算及 构造措施等三方面人手 ， 在将 抗震与 消震 结构 延 性 结合的基础上， 建立设计地震力与结构延性要求 相互影响的双重设 计指标 和方法 ， 直 至进一 步通过 一 些结构措施 隔震措施， 消能减震措施 来减震 ， 即 减小结构上的地震作用使得建筑在地震中有 良好而 经济的抗震性能。同时抗震设计的延性要求也是设计 [ 基金项 目] 黑龙江科技学 院大学生科研基金项 目 J Z G1 0 中的重点， 抗震设计的延性要求是指一个建筑物超出 弹性极 限后 ， 还保有 塑性承载 力使房屋 可随着 地震摇 晃而又没有整 体方 面的破坏 ， 要设计成 可局部 屈服但 又保持结构的整体性 ．在钢结构设计中， 有一些基本 原则 能增 大高层建筑 抵抗侧 向力和侧 向位移 的能力 ， 而不需 要增加成本 。我们应 当采取 以下战略对策 1 ． 1 城 市高层结构抗震优化设计的新方法 1 选择合理的结构体系。一个抗震结构体系 应 由若 干个延性较好 的分体 系组成 ， 并 由延性较 好的 结构构件连接协同工作。例如框架 一剪力墙结构由延 性框架 、 剪力墙 ， 双肢或多肢剪力墙 体系组成 。 2 减小地震 能量的输入和设置消能减震构 件。强烈地震之后往往伴随多次余震， 如只有一道防 线， 则在第一次破坏后再遭余震， 将会因损伤积累导致 倒塌 。抗震结构体系应 有最大 可能数 量的 内、 外 部冗 余度 ， 有意识地建立一系列分布的屈服区， 主要耗能构 件应有较高的延性和适当刚度 ， 以使结构能吸收和耗 散 大量 地 震 能 量 ， 提 高 结 构 抗 震 性 能 ， 避 免 大震 时 倒塌 。 3 控制地震的扭转效应 ， 并且对层间位移加 以限制。建筑的质量和刚度变化要均匀．建筑的刚度 和质量分布不对称， 容易在水平地震作用发生扭转震 动， 设计时对质量和刚度分布不连续的情况应加以限 战 宇等 高层建筑结构抗震优化设计探讨 4 9 制 ， 采取必要 的构造措施 。 4 适 当处理结构构件 的强弱关 系。同一楼层 内宜使主要耗能构件屈服后， 其他抗侧力构件仍处于 弹性 阶段 ， 使 “ 有 效屈 服 ” 保 持 较长 阶段 ， 保 证结 构 的 延性 和抗倒塌能力 。在抗震设 计中某一部分结构设计 超 强 ， 可能造成结构的其他部位相对薄弱 ， 因此在设计 中不合理 的加强 以及 在施工 中以大带小 ， 改变抗 侧力 构件配筋 的做法 ， 都需要慎重考虑。 5 保证楼盖的整 体性 。每层楼 盖应足 以起水 平 隔板作用 。 我 国抗震规范推荐钢结构 的楼盖宜采用 压 型钢板现浇钢筋凝 土组合楼板 或非组 合楼板 ， 对超 过 l 2层 的钢结构 ， 必要 时可设置水平支撑 。 1 ． 2 对抗震结构抗侧力体系的见解 1 对一般性构造的高楼， 刚比柔好， 采用刚性 结构方案的高楼 ， 不仅主体结构破坏 轻 ， 而且 由于地震 时 的结构变形小 ， 隔墙 ， 围护墙 等非结构部件将得到保 护 ， 破坏也会减轻。提 高结构 的超静定次数 ， 在地震时 能够 出现的塑性 铰就多 ， 能耗 散的地震能量也就越 多 ， 结构就愈能经受住较强地震 而不倒塌 。改善结构屈服 机制， 使结构破坏十按照整体屈服机制进行 ， 而不是楼 层屈服机制。设计结构 时遵循强节弱杆 、 强柱弱梁 、 强 剪弱弯 ， 强压弱拉的原则 。在进行结构设计时 ， 应该选 定构件中轴力小的水平杆件 ， 作为 主要耗能杆件 ， 并尽 可能使其发生弯曲耗能。从而使整个构件具备较大。 增加结构体系的抗震性 能。 2 高层建筑设计必须将侧 向变形 限制在 一定 范围内， 这是因为 使结构产生附加内力， 尤其是竖向 构件 ， 当侧 向位移增 大时 ， 偏心 加剧 ， 由此产 生的 附加 内力值超过一定数值 时 ， 将会 引起整 幢房屋 的倒塌 破 坏； 使居住的人们感到不适和恐慌 ； 使填充墙或建筑 装 修出现裂缝或损 坏 ， 也会使 电梯 轨道变 形。在地震 作 用下 ， 虽然可 比风荷载作用下适当放宽变形限制 ， 但 由于这些非结构性 的损坏会使 修复费用 很 高 ， 且 填充 墙 等倒塌也会威胁人的生命 及设备安全 ， 因此 ， 对 地震 作用下的侧向变形也要加以限制； 使主体结构构件出 现较大裂缝甚至遭受损 坏 。由于小高层 建筑 高度 大 ， 地震作用对它的影响也较大。在地震区， 应使结构具 有延性 ， 即在地震作用 下 ， 结构进 入塑性 阶段 ， 以塑性 变形抵抗地震作用 ， 又要做到结构不 破坏 ， 不倒塌 。 1 ． 3新型高性能材料的选 取与运用 材料的选用和结构体 系问题在 地震 多发 区， 采用 何种建筑材料或结构体系较为合理应该得到人们的 重视 。我国高层建筑 中常采用 的结构体 系有 框架 、 框 架 一剪力墙 、 剪力墙 和筒体等几种体 系 ， 这也是其他 国 家高层建筑采用的主要体 系。但 国外 ， 特别地震 区， 是 以刚结构为主 ， 而在 我 国钢筋 混凝土结 构几 混合结 构 却占了9 0 ％．如此高的钢筋混凝土结构及混合结构， 国内外都还没有经受较 大的考验 。钢结构 同混凝土结 构相比， 具有优越的强度、 韧性和延性， 强度重量比， 总 体上看抗震性能好 ， 抗震能力强 。 震 害调查 表 明 ， 钢 结构 较少 出现倒 塌 破 坏情 况。 在高层建筑 中采用框 架 一 核 心简体 系 ， 因其 比钢结 构 的用钢量少 ， 又可减 少柱子 断面 ， 故 常被业 主所 看中。 混合结构 的钢 筋混凝 土 内往 往要 承受 8 0 ％ 以上 的震 层剪力 ， 有 的高达 9 0 ％ 以上 。由于结构 以钢 筋混凝 土 结构的位移值为基准。但因其弯曲变形的侧移较大， 靠刚度很小 的钢框架 协 同工 作减小侧 移 ， 不仅 增加 了 钢结构 的负担 ， 而且效果不大 ， 有时不得不加大混凝土 筒 的刚度或设置伸臂 结构 ， 形 成加强层 才能满 足规 范 侧移限值 。在高层建筑 中 ， 应注 意结构 体系及 材料 的 优选 。现在我 国钢材产 量 已居世 界前 列 ， 建筑 钢材 的 类型及 品种也在逐渐增 多 ， 钢结 构的加 工制造 能力 已 有 了很大提高 ， 因此在有条件的地方 ， 建议尽可能采用 型钢混凝土结构 S R C 、 钢 管混凝 土结 构 C F S 、 或钢 结构， 以减小柱断面尺寸， 并改善结构的抗震性能。在 超过一定高度后 ， 由于钢结构质量较轻而且较柔 ， 为减 小风振而需要采 用混 凝 土材料 ， 钢骨 钢 管 混凝 土 ， 通常作为首选。工程经验表明 利用钢管混凝土承重 柱 自重可减轻 6 5 ％左右 ， 由于柱截 面减小而相 应增加 使用面积 ， 钢材消耗 指标 与钢筋混凝 土结构相近 ， 而工 程造价和钢筋混凝 土结构相 比可 降低 1 5 ％左 右 ， 工程 施 工工期 缩短 1 ／ 2 。此外钢管混凝土 结构显示 出 良好 的延 性和韧性 ， 起 到了 良好 的抗震 效果 。 2 实例剖析 位于浦东陆家嘴金融贸易区上海环球金融 中心 图 1 ， 大 楼 地 上 1 0 1层 ， 地 下 3层 ， 主 楼 建 筑 面 积 为 2 5 2 9 3 5 m ， 裙房为 3 3 3 7 0 m 2 ， 地下室为 6 3 7 5 1 m ， 它是一座 多功能 、 先进 智能型 的摩天 大厦 ， 建成后 总高度 达 4 9 2 米 ， 设计建造 这一超级摩 天 大厦是 一项复 杂的 系统工 程， 尤其在结构设计方面， 选用最有效的结构体系， 建立 完善的设计模型， 使得结构抗震大大的增加 了。 图1金融中心 图2主楼四角 上海环球金融 中心的结构设计 1 庞 大的基础 该 大楼 的基础形 式 为桩 筏基 础， 塔楼基础采用了厚度约为 4 ． 5 m的底板， 约有 2 4 0 根桩的桩顶 附有临时钢柱 ， 这些钢 柱将被 用 于地 下室 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1期 总第 1 5 1 期 的逆作法施工， 而当中许多临时钢柱会外包混凝土而 成为永久柱。地下室的外墙采用厚度约为 l m的地下 连续墙 ， 原设计方案的桩基础施工已于 1 9 9 7年 1 0月 到 1 9 9 8年 7月期间完成 ， 新设计 的大楼与原方案单位 重量相仿。所以 ， 新 大楼 仍可 以建 造在 现有 的桩基 之 上 ， 由于受到现有桩基 的制约 ， 新 的结构方案将采用周 边剪力墙、 交叉剪力墙和翼墙组成的传力体系， 以求将 核心筒剪力墙承受的荷载传递到主楼的四角 图2 图3下部核心简墙体 地下3 层一 5 8 层 图4中部核心简墙体 5 6 层一 7 8 层 图5上部核心简培体 7 7 层一 9 O 层 2 巨型结构体系 巨型结构体系由位于建筑 物各个角部的巨型柱， 以及连接巨型柱之间的巨型斜 撑构成。巨型结构体系还承担了建筑物大部分的重力 荷载 ， 巨型柱为钢骨混凝 土组合结构 ， 钢骨截面将采用 热轧型钢或焊接组合截面。庞大的巨型柱位于建筑物 的各个角部， 它们可以非常有效地抵抗来 自地震的侧 向荷载。埋置于巨型柱 中的钢结构能承受 由巨型斜撑 传来的荷载， 再把这些荷载扩散到巨型柱的钢筋混凝 土部分。这些巨型柱还承受 由带状桁 架传来 的反力 ， 同时， 这些巨型柱可承担至少 l 0层的钢结构、 组合楼 面及带状桁架等的自重荷载。巨型斜撑为钢管混凝土 结构 ， 其 箱形截 面由二块大 型竖 向翼缘 板和两块 水平 连接腹板组成， 翼缘板将能承受节点处的所有设计荷 载， 因此所有需与斜撑相连的构件可仅与其翼缘板相 连接， 这样大大简化了连接节点的设计。另外， 箱形钢 管 中的混凝土增 加 了结构 的刚度 和阻尼 ， 也节省 了浇 注时的模板 ， 还能防止构 件中薄钢 板的屈 曲。巨型斜 撑除 了抵御侧向荷载 以外 ， 还 用于承受 从周边柱 子传 来 的重力荷载。混凝 土核心筒体 系核心筒采用钢筋混 凝土结构 ， 既承担重力荷载 ， 又承担 由风和地震引起 的 部份剪力和倾覆弯矩。同时混凝土核心筒的平面形状 沿建筑物的高度有三次改变 如图3一图5 。下部核 心筒与 中部核心筒的转换 有 3层搭 接 ， 而 中部核 心筒 与上部核心简的转换有2层搭接。转换区核心筒的搭 接有利于荷载的有效传 递 ， 混凝 土核心筒顶部 8 8 层 至 9 0层的墙体厚度有所增加， 主要是为了提供足够空间 让伸臂桁架能够埋置到墙体之中。 3 优化 的抗震设计 世 界上所 有 的摩 天大楼 都会面临防撞、 抗震挑战， 上海环球金融中心 自然也不 例外 。环球 中心的结构设计 以中国规范和部分美国规 范为依据。结构采用了钢与混凝土的混合结构， 结构 体 系的主要特点有 采用三重结构体系抵抗水平荷载， 它们分别是由 巨型柱 、 巨型斜撑以及带状 桁架构成 的三维 巨型框架 结构、 钢筋混凝土核心筒结构以及构成核心筒和巨型 结构柱之间相互作 用 的伸 臂钢桁架 ； 核 心筒沿高 度方 向不连续 图 3～图 5 ， 在 5 6 ～ 6 8层及 7 7～ 7 8层楼层 处核心筒进行 了二次转换 ， 连接部分构造复杂 ； 沿结构 高度设置的三道伸 臂桁架均未 在核心筒 内贯通 ； 1～ 5 层沿建筑四周设置周边剪力墙， 在 6层处周边剪力墙 转换为巨型柱； 沿结构高度每 l 2层设一道高度为一层 的带状桁架 ； 三维 巨型框架采用 了单向斜撑 ， 巨型柱 B 在4 2层以上分叉后形成的倾斜面上未设置斜撑。因 此， 周边巨型框架未形成闭合体系。 根据我 国 高层建筑混凝 土结构技术 规程 ， 该 建 筑总高超过 了钢框架 2钢筋混凝土简体结构最大高度 1 6 0 m和型钢混凝土框架 2钢筋混凝土筒体最大高度 1 9 0 m 的限值 ， 该结构体系在 7度多遇 至 7度 中震地震 作用下结构 自振频率基本不变， 结构基本处于弹性阶 段 ； 在 8度 大震作用下 ， 结构局部出现混凝土开裂和压 碎现象， 但能维持结构不倒塌的工作状态。综合研究 结果表明该 结构体 系满足小震不坏 、 中震可修 、 大震不 倒的抗震设 防要求 。因此上海环球金融 中心在抵抗地 震作用方面具有很 强的优越性 。 3结语 将传统的以力为主的设计思想优化到以材料、 变 形为主的设 计思想 ， 建筑 的行 为水准与 结构变形 的关 系和受力关系相比， 其与受力的关系更加密切。然而 高层抗震结构设计是一个长期、 复杂甚至循环往复的 过程， 任何一个过程中的遗漏或错误都有可能使整个 设计过程变得 更加 复 杂或使 设计 结果 存 在不安全 因 素。因此， 我们应该严格按照规范要求， 总结经验， 使 我们 的抗震设计更 加完善 。 参 考文献 [ 1 ] 王丽丽， 王洁茹 ． 高层抗震的概念优化设计[ J ] ． 河北建筑工 程学 院学报 ， 2 0 0 9 ， 2 7 2 5 0- 5 2 ． [ 2 ] 刘宏欣， 施从伟， 蔡兹红．某高层钢一 混凝土混合结构抗震性 能分析[ E l ／ ／ 第二届全国建筑结构技术交流会论文集 2 0 o 9 3 4 4 o． 李龙等 结构设计软件的可视化开发及 应用 5 1 结构 设计软件 的可视化 开发及应 用 李龙 ， 孙超 ， 董浩 ， 胡斌 ， 张晓宇 ， 杜文学 f 黑龙江科技学院建筑工程 学院 ， 哈尔滨1 5 0 0 2 7 【 摘要】 结构设计软件在建筑结构的设计中广泛应用， 其便利性及模块化设计技术已十分成熟。但在具 体应用过程中， 通过比较可知其后续处理的质量与精度有一定的不足。基于此， 本文基于 V B语言对结构基本构 件的截面设计进行了可视化技术， 以求对 目前结构设计软件进行有针对性的补充 ， 提高其实用性与可行性。分析 结果表明该方法可在初步设计的基础上进一步优化设计结果。 【 关键词1 结构设计软件； 截面设计； V B； 优化设计 【 中图分类号】 T U 3 1 1 ． 4 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 1 0 1 0 0 5 1 0 2 VI S UALI ZED DEVELoPⅣI ENT AND PRACTI CAL APPLI CATI oN oF S T RUCT URAL DES I GN S oFTW ARE L I Lo n g， S UN Ch a o，DONG Ha o，HU Bi n， ZHANG Xi a o y u，DU W e n x u e C i v i l E n g i n e e r i n g D e p t ． ， He i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ，H a r b i n 1 5 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t S t r u c t u r a l de s i g n s o f t wa r e i s u s e d wi d e l y i n e n g i n e e r i n g d e s i g n b e c a us e o f i t s b o t h c o n v e n i e n e e a n d mo d u l a r i t y d e s i g n． I t c a n a l s o be f o u n d t h a t i t i s i n a c c u r a t e t o t h e d e s i g n o f s t ruc t u r a l s e c t i o n s ． S o，p r o g r a mmi n g l a ng u a g e o f VB i s t rie d t o o p t i mi z e s t r u c t u r a l d e s i g n r e s u l t s i n o r de r t o be a s u p pl e me n t f o r t r a d i t i o n a l s o ftwa r e ． T he r e s u l t s s h o w tha t i t i s e f f e c t i v e a n d e c o n o mi c a 1 ． Ke y wo r dss t ruc t u r a l d e s i g n s o ft wa r e；s e c t i o n d e s i gn ；VB；o p t i mi z e d e s i gn 引 言 P K P M是 目前广泛应用 于结构设计过程 的软件 ， 其 界面友好 、 建模易于用户接受 以及便捷 的分析模块均赢 得 了工程设计人员的认可⋯。但在实际应用 中发现 ， 其 对结构构件的截面设 计方面存在着不足 。如对混凝 土 结构的截面设计用钢量大 ， 超筋明显 等。计算可视化技 术是随着计算机技术的迅速发展而出现 的新兴技术 ， 其 基本思想是 “ 用 图形和图像来表征科学计算数据 ” ， 来发 现和理解科学计算过程中各种现象。 V B是 V i s u a l B a s i c 的 简称 ， 是 由美 国微 软公 司于 1 9 9 1 年开发的一种可视化的、 面向对象和采用事件驱 动方式的结构化高级程序设计语 言 ， 可用于开发 Wi n 一 [ 基金项 目] 黑 龙江科技学院大学生科研基金项 目 J Z G 0 1 d o w s环境下 的各类应用程序 。它简单易学、 效率 高 ， 且功能强大可以与 Wi n d o w s 专业开发工具 S D K相 媲美 。在 V i s u a l B a s i c环境下 ， 利用事件驱动 的编程 机 制 、 新颖易用 的可视化设计工具 ， 使用 Wi n d o w s 内部的 广泛应用程序接口 A P I 函数， 动态链接库 D L L 、 对 象 的链接 与嵌入 O L E 、 开放 式数 据连 接 O D B C 等 技术 ， 可以 高效 、 快 速地 开 发 Wi n d o w s 环 境下 功 能强 大 、 图形界面丰 富 的应 用软 件 系统。本 文基 于 V B 6 ． 0 进行了面向对象的截面设计环境开发。其基本界面如 图 1 所示 。 算例 为了验证上述程序 的有 效性 与准确 性 ， 以一 个三 [ 3 ] 王传 甲， 胡守营 ， 等 ．某高层框架剪力墙抗 争优化设计及验证 [ J ] ．工程抗震 与加 固改造 ， 2 0 0 8， 3 0 3 4 6 4 9 ． [ 4] 游晋华 ．高层结构抗震 中的概 念设 计[ J ] ．山西建筑 ， 2 0 0 4 ， 3 O 1 9 3 43 5 ． [ 5 ] 博学怡． 实用高层建筑结构设计[ M] ． 北京 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 9 9 7 81 0 0 ． [ 6 ]朱镜清 ．抗震分 析原理 [ M] ．北 京 地震 出版社 ，2 0 0 2 5 6 6 7 ． [ 7 ] [ 8 ] 王光远著 ．工程结构 与系统抗 震优化设 计的实用方 法 [ M] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 9 1 63 0 ． 邹昀 ，吕西林 ，钱江 ．上海环球金融 中心大厦结 构抗震性 能 研究[ J ] ．建筑结 构学报 ， 2 0 0 6 ， 1 2 7 4 8 O ． [ 收稿 日期 ] 2 0 1 00 8 2 8 [ 作者简介] 战字 1 9 8 7一 ， 男， 黑龙江望奎人， 学士， 研究 方向 土术工程 。