高層建筑結構設計論文
高層建筑結構設計論文
隨著科學技術的不斷發(fā)展,功能俱全的高層建筑越來越多。高層建筑結構設計也越來越成為建筑結構工程師的重要工作內容。下面是學習啦小編為大家整理的高層建筑結構設計論文，供大家參考。
高層建筑結構設計論文范文一：探究高層建筑結構邊節(jié)點抗震性能
1試驗概況
1.1試驗構件設計和制作
邊節(jié)點試驗構件取用承重框架梁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筑質量和垂直度，并與工程實際相符，全部試件均采用鋼模板、立模澆筑。邊節(jié)點構件柱子的截面尺寸為200mm×200mm，梁的截面尺寸為150mm×250mm，縱向受力鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB235級。柱子的配筋率為1.13%，梁的配筋率為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(jié)點核心區(qū)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(jié)點核心區(qū)采用柱混凝土的構件，施工縫留設在梁下部;節(jié)點核心區(qū)采用梁混凝土的構件，分別在梁上和梁下留設兩道施工縫，施工縫處澆筑時間間隔為2天(48小時)。
1.2試驗方法和加載裝置
采用低周反復試驗方法進行研究，加載制度為力—位移混合控制加載，在開始加載到構件屈服前采用力控制;構件屈服后，改用屈服位移的整數倍為級差作為回載控制點，每一位移下循環(huán)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(jié)點兩側梁的反彎點可視為水平可移動鉸。這樣可以有兩種加載方案：一種是在柱端施加水平荷載或位移，這時梁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(tài);另一種是將柱保持垂直狀態(tài)，在梁的自由端施加反復荷載或位移，此時邊界條件變?yōu)樯舷轮磸濣c為不動鉸，梁反彎點為自由端。本次試驗采用的是柱端加載的方式，即采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，采用美國MTS公司生產的MTS液壓式伺服加載系統(tǒng)進行試驗，采用MTS動態(tài)數據采集系統(tǒng)進行數據采集。試驗自行設計了加載裝置，豎向加載裝置由反力架和1000kN數控電動液壓伺服作動器組成，水平加載裝置由反力墻和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，在柱端設置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;梁端由剛性連桿與地面鉸支座相連，保證梁端可以水平移動但是不能垂直移動。試驗加載裝置示意圖如圖2所示。
2邊節(jié)點試驗結果與分析
2.1破壞現象
邊節(jié)點構件BZ1為節(jié)點核心區(qū)采用梁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梁端第一箍筋處，正向開裂荷載為10kN;反向開裂荷載為20kN;裂縫擴展速度較快，裂縫區(qū)域主要集中在梁的端部范圍內，節(jié)點核心區(qū)只有少量細小的裂縫出現，沒有明顯破壞。構件最后在梁端形成塑性鉸，塑性鉸發(fā)展充分構件BZ1的柱子和梁的實際配合比相差2個強度等級，說明當梁柱強度等級相差較小時，節(jié)點能夠滿足抗震設計要求。當延伸長度為0.5h時，出現裂縫的范圍較小;當延伸長度為1.5h時，出現裂縫的范圍較大;延伸長度為h時，裂縫的范圍居兩者之間;同時，只有延伸長度為0.5h時，在梁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，說明延伸長度對梁的開裂荷載有一定的影響。節(jié)點核心區(qū)均未產生明顯的破壞，這是由于所有構件均采用了“強節(jié)點，弱構件”的設計原則，節(jié)點核心區(qū)的箍筋做了加密，采用了柱子的混凝土強度澆筑節(jié)點核心區(qū);與梁和柱子相比較，節(jié)點具有更好的抵抗低周反復荷載的能力。
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(jié)點核心區(qū)采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(tài)、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;從卸載曲線上看，主筋在節(jié)點存在一定量的滑移。其余邊節(jié)點構件的滯回曲線，均呈較光滑的梭形。
2.3承載力和延性性能分析邊節(jié)點構件的試驗結果，延性系數取用最大位移(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時的延性性能最好，為3.26;延伸長度為h時的延性性能稍差，為3.11;延伸長度為0.5h時的延性性能最小，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時的構件延性性能最好，為2.73;為1.5h時的延性性能稍差，為2.41;為0.5h時的延性性能最小，為2.38。從試驗結果可見，延伸長度為0.5h時，延性性能最差，隨著延伸長度的增加，延性性能增大。延伸長度為1.5h時的試件最大荷載略高于其他構件，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，即使梁柱邊節(jié)點核心區(qū)采用強度較低的梁中混凝土，其承載能力仍能滿足要求，但是延性性能弱于節(jié)點核心區(qū)采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梁端的受彎破壞。當構件所承受的軸壓比較低時，即使邊節(jié)點核心區(qū)采用強度較低的梁中混凝土，其破壞形態(tài)仍為梁端受彎破壞，但是延性性能略有下降。
(2)從試驗結果上看，柱子中高強混凝土在梁中的延伸長度為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)從延性性能上看，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，延性性能最差，隨著延伸長度的增加，延性性能增大。
高層建筑結構設計論文范文二：高層建筑結構設計優(yōu)化探究
結構優(yōu)化設計的管理措施
以施工為主營的總承包商在海外D&B項目中，面臨著諸多挑戰(zhàn)，就本項目而言，主要面臨的問題有:①由于項目的特殊性，業(yè)主方已經完成項目的結構方案設計，雖規(guī)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(yōu)化設計產生一定的局限性，而且還需承擔原設計存在的缺陷風險。②由于設計規(guī)范、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采用設計分包，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(jié)問題。⑤結構優(yōu)化設計，涉及多部門、多專業(yè)工種，技術協(xié)調工作繁重。⑥項目合同工期壓力大，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(tǒng)施工承包模式下，由業(yè)主方提供設計文件，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項目，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(tǒng)施工總承包管理觀念和意識，建立適應D&B項目總承包項目特點的新型設計、施工管理體系，充分發(fā)揮優(yōu)化設計的核心作用和優(yōu)勢。2)優(yōu)選設計公司，組建優(yōu)化團隊首先在結構技術設計階段，采用設計分包，并優(yōu)選國際知名的設計咨詢公司，為城市之光項目提供高質量的方案和設計支持。其次為發(fā)揮優(yōu)化設計的核心作用和優(yōu)勢，聯(lián)合本地一家聲譽好、結構優(yōu)化設計經驗豐富的工程咨詢公司，對設計方提供結構設計方案，再進行優(yōu)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(jiān)督與控制。3)樹立優(yōu)化設計與施工集成思想結構設計方案常常能滿足建筑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(jié)，造成施工難度加大，成本支出增加。因此結構優(yōu)化設計階段，始終樹立優(yōu)化設計與施工集成思想。同時要求施工技術人員積極參與設計方案討論，緊密結合建筑結構特點和所采取的施工措施，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(yè)統(tǒng)籌兼顧，力爭全局協(xié)調一致在工程設計過程中，涉及多部門、多專業(yè)工種，其中包括結構、建筑、電氣、給排水、暖通、煤氣等專業(yè)工種。由于各個專業(yè)各自獨立設計，勢必造成設計方案從局部看是合理的經濟方案，但從全局看未必是合理優(yōu)良的方案。因此結構優(yōu)化設計時，不僅滿足建筑功能及規(guī)范的要求，而且還需各個專業(yè)統(tǒng)籌兼顧，力爭全局協(xié)調一致，達到最優(yōu)方案。
2管理實踐
根據上述的控制思路，并結合城市之光項目的特點，制定優(yōu)化設計施工管理體系的流程，分階段對設計方案進行優(yōu)化，如圖2所示。
結構優(yōu)化設計技術措施
1技術設計階段結構優(yōu)化措施
為滿足建筑功能的要求，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，甚至決定項目建設的成敗。因此在滿足建筑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(fā)現，原設計結構平面布置較為均勻，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(yōu)化設計的具體措施:①提高結構材料的利用率，盡量采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對于水平承載構件，盡量采用預應力混凝土無梁板;④選擇正確的結構計算方法;⑤優(yōu)化設計與施工集成思想。然后再根據設計方提供的結構設計方案，聯(lián)合專業(yè)的結構公司通過最優(yōu)的結構驗算，再進行優(yōu)化，實現設計方案的技術監(jiān)督與控制，提高設計的質量。
提高材料的利用率。結構優(yōu)化設計目的是提高結構設計的性價比，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(huán)境和材料本身力學性能，選用合適的結構材料，對于高層建筑尤為重要。①采用高強度的鋼筋，主要優(yōu)點有減少鋼筋用量，減小結構構件的尺寸，減輕結構自重。本項目采用強度級別為460N/mm2熱軋帶肋鋼筋。②盡可能采用高強度的混凝土，充分利用混凝土的抗壓性能，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對于高層結構的轉換層和受力結構復雜的節(jié)點部位，采用型鋼混凝土結構和預應力混凝土結構，利用材料的力學性能，組合使用，以達到適用、安全、經濟的目的。如C10a塔樓的L16剪力墻采用型鋼混凝土結構，將原來8道混凝土剪力墻減少到4道。
筏板基礎。1)塔樓的筏板基礎該項目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(fā)現，可以減小筏板厚度和配筋率，并提出兩種優(yōu)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，由于現場樁基礎已經施工完成，即樁頭標高已定。如果采用此方案，保持筏板頂標高不變，因樁頂標高低于筏板底500mm，難以實現。如果保持筏板底標高不變，B3地下室凈空間增大500mm，一方面業(yè)主不認可，另一方面因凈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。因而最終采用方案1，節(jié)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(qū)域鋼筋為:T1&T2為Y16-150;B1&B2為Y25-150，非樁帽區(qū)域為，T1&T2為Y12-125;B1&B2為Y16-175。為此聯(lián)合專業(yè)結構優(yōu)化設計公司，計算分析發(fā)現原筏板設計過于保守。提出具體優(yōu)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。
水平承載構件盡量采用預應力無梁板。采用預應力無梁混凝土板相對于普通混凝土梁板的最大優(yōu)點在于節(jié)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局部預應力板，預應力板所占的比例較少。為此，優(yōu)化具體措施為:①4000mm×4000mm×375mm柱帽構造措施，取消部分混凝土梁。②由于裙樓面積較大和預應力板的鋼絞線張拉限制，設置多條后澆帶;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對于跨度較大的混凝土梁，設計成后張法預應力鋼筋混凝土梁。如C10a塔樓○F3和○F5軸線之間的混凝土梁最大跨度達17.2m，采用后張法預應力混凝土梁，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占該層總面積的25%，優(yōu)化后預應力混凝土板的面積占該層總面積的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(yōu)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(yōu)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，加大安全系數，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(lián)合專業(yè)結構優(yōu)化設計公司，對結構設計方案進行技術監(jiān)督與控制。例如對裙樓擋土墻及剪力墻，通過建立結構模型，重新分析驗算，使結構達到最優(yōu)化。C10，C10a，C11塔樓505m長地下室擋土墻，原設計方案共有5種類型，從地下3層至首層墻體厚度都為500mm，并設計不同類型的拉接鋼筋，間距為Y12-125(max)，如圖6所示。為此，結合相關設計參數和地質勘探報告，根據不同深度的土壤對擋土墻水平側壓力不同和豎向承載力的變化，對擋土墻進行再驗算。優(yōu)化結果:①墻厚范圍地下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(guī)定，如果豎向鋼筋的配筋率≤0.01，則可不設置水平方向拉筋。但考慮現場施工要求，設置Y10@450～500水平拉筋，便于豎向鋼筋固定。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(yōu)化拉筋樣式為一端90°，一端180°。
優(yōu)化設計與施工集成思想。在技術設計階段，始終樹立優(yōu)化設計與施工集成思想。應緊密結合建筑結構特點和所采取的施工措施，將技術、材料、施工工藝和施工措施的優(yōu)點集中體現在優(yōu)化設計方案中，避免設計與施工脫節(jié)，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塔樓樓板采用臺模體系，由于結構形式為剪力墻加核心筒結構，如圖7所示，剪力墻與核心筒相連，使得臺模水平運輸困難。如果利用塔式起重機周轉臺模，施工難度大且進度慢。為此根據結構特點和施工要求，采用預留施工洞口，即在剪力墻上預留4.0m×2.9m(寬×高)洞口，以方便臺模水平周轉運輸。經與設計方協(xié)商，在保證結構安全前提下，通過優(yōu)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，洞口將用磚墻砌筑。通過上述措施，一方面降低施工難度，顯著提高施工進度，另一方面用磚墻代替混凝土，減少鋼材和混凝土用量。由于篇幅有限，其他案例不再贅述。
2施工圖設計階段結構優(yōu)化措施
施工圖設計是根據已經批準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(yōu)化設計，進一步對工程造價進行控制。主要采取的措施有:精細化設計，采用標準設計，控制局部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，而且易于發(fā)現局部設計差異。為此，可以采取以下措施:①針對結構構件，如梁、板、柱、墻，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針對復雜結構，精細到每個節(jié)點，標明尺寸、高度等。③對于結構構件平面定位，不僅標明具體的尺寸，而且精確到每個坐標點。2)標準設計在施工圖設計階段采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周期;采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，可以大量重復使用，較為經濟。如梁上洞口標準加鋼筋節(jié)點，設備基礎標準配筋節(jié)點，圈梁構造柱節(jié)點，剪力墻標準配筋節(jié)點等。3)盡量控制局部小變更在現場施工之前在施工圖精細化過程中，對于局部設計差異，及時與設計方溝通，并通過變更節(jié)點直接用于現場施工;對于施工難度較大的節(jié)點，及時提出合理建議，調整局部設計，降低施工難度。將此類局部小變更控制在現場施工之前，避免現場返工，有利于對施工成本的控制。
結構優(yōu)化設計經濟效益
通過結構優(yōu)化設計在本項目取得了很好的經濟效益，節(jié)約大量的材料，降低勞動力的使用量，提高施工進度。僅與優(yōu)化公司聯(lián)合優(yōu)化的部分，就節(jié)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
通過在本高層項目設計階段的結構優(yōu)化設計，總結了在D&B總承包合同模式下結構優(yōu)化設計控制思路與管理實踐，并結合措施與案例分析。實踐證明，傳統(tǒng)施工承包商在D&B項目中采用結構優(yōu)化設計，有效控制工程造價，并取得良好的經濟效益。同時也給同類D&B項目，提供結構優(yōu)化設計借鑒。但是在D&B總承包合同下，對優(yōu)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(yōu)化方案必須經原設計方的認同并作修改，再次審批和施工圖評審，導致設計周期延長，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。
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