淺析某高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉姍姍 鄭展展

摘要：本文結(jié)合某高層建筑的工程案例，針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)行概述，提出了一些問題及解決的策略，望為類似工程具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：高層建筑； 結(jié)構(gòu)； 設(shè)計(jì)； 優(yōu)化

1 工程概況

某高層建筑屬綜合建筑。主樓占地面積9383 m2，總建筑面積19537 m2，主樓高74.8 m， 地面以上19 層、地下1 層，主樓建筑面積為12091 m2；裙樓高3 層， 建筑面積為7 646 m2。

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 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的場地工程地質(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)移剛度大、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)的分部優(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)果雖不能總等價(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：

a ） 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。

b ） 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)件來控制截面內(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。

c ） 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)。

d ） 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， 可以轉(zhuǎn)入下一步的可行性判斷， 否則轉(zhuǎn)回第b ） 步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

e ） 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3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)。

2.2.1 第一階段： 最優(yōu)設(shè)防水平的優(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。根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移和頂點(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

a ） 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；

b ） 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；

c ） 進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的空間內(nèi)力分析；

d ） 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e ）步進(jìn)行判斷；若不滿足規(guī)范要求， 則直接返回第a ）步，進(jìn)行剪力墻水平截面面積的修正；

e ） 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max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，則轉(zhuǎn)入第f） 步進(jìn)行計(jì)算； 否則轉(zhuǎn)入第a）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；

f ） 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)；

g ） 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c）步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；

h ） 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。