結構設計中的概念設計

王 賀 吳俞辛 薛明琛

(聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252059)

結構設計中的概念設計

王 賀 吳俞辛 薛明琛

(聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252059)

對高層建筑結構設計中結構概念設計的概念及原則作了分析，并對其涉及到的設計方案、結構布置、截面配筋等方面問題作了研究，說明了概念設計在高層建筑結構設計中的重要性。

概念設計，風荷載，結構體系，抗震設計

1 結構概念設計的概念及原則

結構概念設計是先于建筑工程的初步設計，是根據理論與實驗研究成果和工程經驗等所形成的基本設計原則，進行建筑和結構的總體布置的過程。它是一些結構設計的理念、思想、原則,應結合具體情況創造發揮。這些原則大體有八條：全面考慮原則(也成三維構思原則)、功能協調原則、實際出發原則、精益求精原則、減輕自重、空間作用原則、合理受力原則、優化選型原則[1]。

2 高層建筑的風荷載

風作用于建筑物的風壓是隨著風速、風向的紊亂變化而不停地改變著的。通常將風壓作用的平均值視作穩定風荷載，實際風荷載在平均風壓上下波動。這種波動風壓對建筑物的動力效應在高層建筑結構設計時不能忽略，可以采用加大穩定風荷載的辦法來考慮，即在按荷載規范求得的一般風荷載值上乘以大于1的風振系數。風振系數的大小與高層建筑的自振特性有關，包括高度、高寬比等。風對高層建筑的作用不僅是對建筑結構的強度、剛度和穩定性提出要求，而且還有因風引發的其他構件振動效應。因此，在高層建筑的抗風力設計中必須考慮下列因素：1)風振系數的風荷載和重力荷載共同作用下，結構體系的強度、剛度和穩定性要求；2)起伏的風荷載可能對結構整體和連接以及小構件(如玻璃幕墻)等引起動力波動荷載和產生疲勞；3)引起住戶不舒適的搖擺頻率和幅度，以及聽覺上的干擾；4)過度的側向位移可能引起隔墻、外墻的開裂，機械系統的失調，門的不閉合或產生永久變形；5)高層建筑周圍的近風氣候對路上行人的影響等。在高層建筑結構設計中把風荷載化為等效水平荷載是容易的，但風的作用是復雜的，對于很高的高層建筑要采用模型在風洞中做實驗來確定結構設計時所取得風荷載[2]。

3 正確選擇合理的結構體系

高層建筑結構體系有：框架結構體系、剪力墻結構體系、框架—剪力墻結構或框架—筒體結構及板柱—剪力墻板體系和框筒結構體系等幾種結構體系。框架結構體系：通過合理的設計可獲得良好的延性，有較好的抗震性能。但是由于框架結構層間變形較大，在地震區容易引起非結構構件的破壞。剪力墻結構體系：剪力墻間距不能太大，平面布置不靈活，結構自重較大。通常改進樓板做法形成底部大空間剪力墻結構或跳層剪力墻結構。框架—剪力墻結構：在框架中設置剪力墻，兩者公共抵抗水平荷載，剪力墻承擔大部分水平力，框架則承擔豎向荷載，提供較大的使用空間的同時承擔少部分水平力。相對于框架結構剛度和承載力都大大提高。高層建筑中水平荷載和地震作用將成為控制因素。高層建筑需要較大承載力和剛度。選擇高層建筑結構體系時滿足下列要求：1)結構體系應具有明確的計算簡圖和地震作用傳遞途徑；2)應布置多道抗震防線，防止因部分結構或管配件破壞而導致結構的整體破壞；3)兩主軸方向的動力特征相近；4)對于相對薄弱部位，要采取措施提高抗震能力。

4 高層建筑結構的抗震概念設計

1)高層建筑結構的抗震概念設計的定義。根據GB 50011—2010，建筑抗震概念設計指根據地震災害和工程經驗等形成的基本原則和設計思想進行建筑和結構總體布置并確定細部構造的過程。2)高層建筑結構抗震概念設計的基本原則。結構的布置應規則、對稱、受力明確力求簡單、傳力合理、途徑不間斷，并應具有良好的整體性。還應滿足三水準兩階段的設計準則和四強四弱的原則，即：強柱弱梁、強剪弱彎、強節弱桿、強壓弱拉。3)高層建筑抗震概念設計中應注意的抗震構造要求。a.建筑平面設計目標是使建筑物對稱于兩個軸線，不僅指建筑物本身，而且墻體、柱網甚至洞口布置都宜對稱。體型不規則的建筑結構，可在適當部位設置防震縫，形成多個較規則的抗側力結構單元。b.選擇合理的抗側力結構體系，將柱、墻、桁架類構件結合成整體的體系或單元；也可采用兩種體系的組合，稱為雙重支承結構體系。注意結構體系的布置，使它們的剛度中心(即結構體系所受水平剪力的合力作用點)接近整個建筑物的質量中心(即建筑物所受水平力的合力作用點)。若兩者相距甚遠，會產生沿建筑物高度分布的扭轉效應，它們在設計計算時是不能忽略的。c.樓蓋結構在水平地震作用下像一個水平深梁，樓板是它的腹板可以抵抗水平力產生的剪力，周邊裙梁或墻是它的翼緣可以抵抗水平力產生的彎矩。地震運動引起基礎間的相對運動是引起高層建筑震害的重要原因，因此要減小高層建筑基礎各部分之間以及基礎和上部結構之間相對變形的可能性。

5 高層建筑結構的概念設計案例分析

上海金茂大廈高420.5 m(由地平面算至尖塔頂尖)，建筑面積約29萬m2，占地約2.3萬m2，是當前世界上較高的型鋼和鋼筋混凝土組合結構建筑。它地下3層，地上主體88層。大樓平面為正八角形，外觀上因有橫線條而呈13層高狀。

金茂大廈的主要抗側力體系是用一個正八角形厚壁混凝土筒體與外伸鋼桁架和四邊外側正中處的八個巨型鋼―混凝土組合柱相連接所形成的組合結構體系，也是一種核心筒外伸桁架結構體系。在內筒和大柱子之間設置了3道伸臂桁架，位于24層～26層、51層～53層以及85層～87層，伸臂桁架是2層高的鋼桁架。87層以上設置了空間鋼桁架，一方面承受屋頂設備層的重力荷載，一方面加強了85層～87層的伸臂，保證了核心筒和外柱共同工作。設置伸臂后，大大增加了結構剛度，減小了位移。該體系有著較大的有效寬度來抵抗側向荷載產生的傾覆力矩，并采用使巨型柱承受較多重力荷載的構造來減少傾覆力矩對巨型柱的上舉作用，而且正八角形筒體還具有優越的抗扭能力。

樓蓋采用組合樓板，鋼梁間距為4.4 m，樓板是76 mm厚壓型鋼板上現澆82.5 mm厚混凝土。

金茂大廈設有高承載力的樁基體系，由直徑0.9 m，2.2 cm厚的鋼管樁組成，樁要打入地下84 m深處的密實砂土層內，單樁設計承載力約為7 340 kN。

金茂大廈這個在上海軟土地基上建造的超高層建筑結構，在它的結構概念設計中要考慮下列重大的設計和施工問題：1)主要抗側力結構體系——厚壁混凝土筒體和巨型組合柱的組合結構體系，作為超高層建筑結構較為有效的結構體系，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、它們之間的連接方式，以及立柱豎向壓縮量差異問題的構造處理(即各層樓蓋結構系統和布置方案)。2)為了保證金茂大廈具有一定的可靠度，設計中采取了以下做法：a.地基加固，大廈所處的地基條件甚差，樁基樁底達到的深度為我國以往未曾達到的深度，約地面下87 m。實際鋼管樁最深處為地下84 m。b.結構中空，56層以上的部分，外圈是客房，里面是圓筒空間，這樣設計有利于提高抗震和抗風能力。c.加箍固化，3道伸壁桁架如同3道“巨箍”，將結構牢牢捆綁住，有效地控制了大廈的平衡。3)預計結構設計中的控制因素——該樓的結構設計是由風力作用下的動力性能控制的。由大廈固有質量、剛度和阻尼特性求得對主軸的基本平移周期為5.7 s，扭轉周期為2.5 s[3]，按此算得的10年重現期加速度和一年重現期加速度均在國際標準規定的可接受范圍內。

6 結語

概念設計是一種結構設計的新思路，它從宏觀上來考慮結構設計的總體方案，并充分發揮各基本構件的性能，通過有機的結合而達到“1+1≥2”的效果。本文通過對高層建筑結構受力和抗震設計的分析，闡明了概念設計在工程中的重要性。進一步認識到結構概念設計在工程中的重要性。在設計中應特別重視結構的概念設計，并用概念設計的方法來優化整體結構，設計中不能陷于只憑計算的誤區，要把握全局，全面考慮建筑工程設計問題。

[1] 羅福午，張慧英，楊 軍.建筑結構概念設計及案例[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] [美]B.S塔拉納特.高層建筑鋼—混凝土組合設計結構[M].羅福午，譯.北京：中國建筑工業出版社，1999.

[3] 呂西林.上海地區超高層建筑振動特性實測[J].建筑科學，2001(2)：43-44.

The conceptual design in structure design

Wang He Wu Yuxin Xue Mingchen

(ArchitecturalEngineeringCollege,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China)

This paper analyzed the concept and principle of structure conceptual design in high-rise building structure design, and researched the problems of structure scheme, structure layout, section reinforcement and other aspects, indicated the importance of conceptual design in high-rise building structure design.

conceptual design, wind load, structure system, seismic design

2015-03-04

王 賀(1991- )，男，在讀本科生； 吳俞辛(1992- )，男，在讀本科生； 薛明琛(1975- )，女，碩士，講師

1009-6825(2015)14-0045-02

TU318

A