關于建筑結構的論文(2)
建筑結構的論文篇4
試談建筑結構優(yōu)化設計
【摘要】建筑結構設計在很大程度上影響著工程造價、工程質(zhì)量和工程進度，根據(jù)結構設計面臨的挑戰(zhàn)，本文從結構優(yōu)化設計的基本原則出發(fā)，簡要地闡述了高層剪力墻結構的優(yōu)化。
【關鍵詞】優(yōu)化設計;剪力墻結構;結構延性
1 引言
建筑結構的安全與經(jīng)濟有時是一對矛盾體。隨著市場經(jīng)濟的不斷完善，房屋建造商越來越重視建筑物的經(jīng)濟性能，但是安全也是一個絕對不能忽視的問題。用最少的材料或造價建造出滿足規(guī)范和使用要求的建筑是我們需要努力追求的目標。
結構的優(yōu)化設計并不是簡單的減少混凝土和鋼筋的用量，而是通過調(diào)整各構件剛度之間的比例關系，充分利用各構件的受力特點，發(fā)揮它們各自的長處，使整體結構達到最優(yōu)。
2 結構優(yōu)化設計的基本原則
結構優(yōu)化設計的基本原則主要有以下幾點：
(1)建筑平面布置產(chǎn)生規(guī)則結構效應的原則
有規(guī)則建筑體型和平面布置的結構，因其受力較簡單，造價相對較低。但由于不同使用功能的需要，建筑的體型和平面布置是多種多樣的，不可能因結構要求規(guī)則而對建筑師的創(chuàng)作提出無理要求，倒是可以在滿足不同使用功能的前提下，通過對結構墻、柱的布局和墻肢長短的調(diào)節(jié)，使不規(guī)則的建筑體型和平面布置產(chǎn)生規(guī)則結構的效應，同樣可以使建筑結構達到經(jīng)濟合理和安全耐用的預定目標。
(2)提高建筑舒適度原則
建筑結構的優(yōu)化設計應包含結構體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學性、構件布置的合理性、構件和材料選用的正確性等內(nèi)容;應該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結構優(yōu)化設計的一條重要基本原則。
(3)建筑結構整體安全度原則
結構優(yōu)化設計應全面考慮整體建筑的每個構件，使結構體系中每個構件都具有合理的可靠性，確保整個結構體系的安全性能，確保實現(xiàn)結構設計規(guī)范規(guī)定的設計標準，達到建筑結構既安全耐用又經(jīng)濟合理的總目標。
(4)不同構件采用不同的安全系數(shù)的結構優(yōu)化設計原則
工程設計人員必須在保證結構安全的前提下，通過對建筑結構的整體概念分析，采用合理的優(yōu)化設計理念和方法進行優(yōu)化設計，使得能有效地控制工程造價，滿足投資方的經(jīng)濟性要求。通過以往的優(yōu)化設計經(jīng)驗來看，相比于傳統(tǒng)的設計方法，優(yōu)化設計通?？梢赃_到降低工程造價5%～30%的目的。
3 高層剪力墻結構的優(yōu)化設計
剪力墻結構是高層建筑中常采用的一種結構形式，其特點是整體性好，側向剛度大，水平力作用下側移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置，缺點是剪切變形相對較大、平面外較為薄弱。
(1)減少剪力墻材料的用量、節(jié)約造價
剪力墻材料的用量是整個結構材料用量的核心，剪力墻結構的設計優(yōu)化應首先從減少剪力墻結構材料的角度考慮。
影響剪力墻材料用量的幾何因素有長度和厚度，在設計中為了保證結構為一般剪力墻結構，剪力墻的長度須按規(guī)范要求進行設置，一般不宜減短。同時，結構的剛度與剪力墻長度的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度既可以有效減少材料用量，又不至于嚴重削弱結構的剛度。一般來說，剪力墻的設計應在滿足穩(wěn)定性的前提下，盡量減薄，也就是在滿足剛度等要求的前提下，達到減少剪力墻材料用量節(jié)約造價的目的。
一般的剪力墻結構，墻柱用鋼量所占比例在50%～70%之間，是優(yōu)化時重點考慮的內(nèi)容，墻柱配筋應在滿足要求的前提下盡量取規(guī)范的低值。梁的用鋼量占8%～20%，所占比例不大，但其布置對板含鋼量有較大影響，板的含鋼量一般占15%～20%。
(2)剪力墻結構的延性設計
了解剪力墻結構的特性，發(fā)揮其所長，克服其所短，是正確合理地設計剪力墻結構的關鍵。剪力墻結構概念設計的內(nèi)容，主要包括：從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數(shù)量、剪力墻的長度、剪力墻的厚度，保證剪力墻結構剛度均勻和剛度適宜。
1)強墻肢、弱連梁
工程中剪力墻分為整體墻、整體小開口墻和聯(lián)肢墻。整體墻受力如同豎向懸臂，當剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應力呈線性分布，破壞形態(tài)類似偏心受壓柱，配筋應盡量將豎向鋼筋布置在墻肢兩端;為防止剪切破壞，提高延性應將底部截面的組合設計內(nèi)力適當提高或加大配筋率;為避免斜壓破壞墻肢不能過小也不宜過長，以防止截面應力相差過大。聯(lián)肢墻是由連梁連接起來的剪力墻，聯(lián)肢墻的破壞形態(tài)以強墻肢弱連梁為宜，即連梁先于墻肢屈服，使塑性變形和耗能分散于連梁中。
2)強剪弱彎
在工程設計中，采用剪力墻增大系數(shù)調(diào)整墻肢底部加強部位截面剪力計算值和連梁梁端截面組合剪力設計值，使墻肢和連梁實現(xiàn)強剪弱彎。
3)限制剪壓比
墻肢、連梁截面的剪壓比超過一定值時，將過早出現(xiàn)斜裂縫，當增加的橫向鋼筋或箍筋不能提高其受剪承載力，抗剪鋼筋不能發(fā)揮其抗剪作用，在抗剪鋼筋未屈服的情況下，墻肢或連梁發(fā)生斜壓破壞。為了避免這種脆性破壞，應限制墻肢或連梁的平均剪應力與混凝土的軸壓比，即限制剪壓比就是限制剪力設計值。
4)限制墻肢軸壓比
軸壓比是影響墻肢延性的主要因素之一?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》GB50011-2010對墻肢在一、二、三級抗震墻的軸壓比進行了限制，并要求一、二、三級剪力墻軸壓比超過一定的數(shù)值，必須設置約束邊緣構件。
(3)剪力墻結構的連梁優(yōu)化設計
在高層剪力墻結構中，連梁是一項關鍵的耗能構件，其剪切破壞將對結構抗震產(chǎn)生極為不利的影響，并會極大地降低結構體系的延性。因此在高層剪力墻結構的優(yōu)化設計過程中，一定要注意對連梁進行強剪弱彎的驗算，以保證連梁的剪切破壞晚于彎曲破壞。對于人為加大連梁縱筋的操作一定要慎之又慎，因為這樣就有可能無法滿足強剪弱彎的要求。
在住宅結構設計時，一般情況下不宜采用大剛度的窗下墻作為連梁，而宜將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。同時，在滿足結構剛度與變形要求時，應從經(jīng)濟角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側力構件。
(4)結構設計軟件在優(yōu)化設計中的運用
隨著計算機技術以及結構優(yōu)化設計理論的結合，基于計算仿真的優(yōu)化設計思路已經(jīng)在工程結構設計中得到了廣泛的應用。通過利用計算機分析軟件建立優(yōu)化設計的分析模型，采用高效的計算機優(yōu)化計算方法，設立結構設計達到的目標要求，最終實現(xiàn)結構設計的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設計過程中，優(yōu)化設計實際上已經(jīng)由一個工程問題轉變?yōu)橐粋€數(shù)學問題。在大型復雜結構的優(yōu)化設計中，基于這一思想的結構優(yōu)化設計方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢。因此，工程設計人員加強基于計算機技術的優(yōu)化設計分析非常必要。
4、結語
建筑結構優(yōu)化設計是指在滿足各種規(guī)范或某種特定要求的條件下，使建筑結構的某種指標(如重量、造價、剛度等)為最佳的設計方法。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標選出最優(yōu)的方法。設計是規(guī)范加上工程師判斷和創(chuàng)造的產(chǎn)物，設計優(yōu)化在一定程度上意味著對常規(guī)的突破，但結構的優(yōu)化設計并不以犧牲安全來求得經(jīng)濟效益。這就要求我們的結構設計人員應當根據(jù)相關規(guī)范的要求和建設單位的需要，來對其高層結構進行合理的選擇與優(yōu)化。
參考文獻
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建筑結構的論文篇5
試論高層建筑結構設計
[摘 要]高層建筑的結構設計合理與否，會對整個工程的質(zhì)量、使用性能及使用壽命等方面產(chǎn)生十分重要的影響。因此，做好結構設計工作是高層建筑物施工之前最重要的任務之一。在本論文中，筆者首先分析了高層建筑物結構設計的特點，而后對高層建筑物結構設計的相關要求及注意事項進行了深入探討。
[關鍵詞]高層建筑 結構設計 特點 要求
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們的生活水平等方面都獲得了較大的提高，對生活質(zhì)量的要求也愈來愈高。從建筑物需求量的方面來說，近年來，我國人民對住房的需求量也不斷增多。這導致建筑用地的不斷增多，使得當前我國可用耕地面積不斷減少。為了緩解此種情況，我國建筑企業(yè)開始將發(fā)展的目光聚焦于高層建筑物的建設上。也正因為如此，當前我國高層建筑物的數(shù)量急劇增長。從積極方面來說，這確實從很大程度上緩和了建筑物供不應求的狀況，但同時我們也必須注意到一個現(xiàn)象：很多高層建筑在使用過程中都出現(xiàn)了這樣或者那樣的問題，嚴重影響了建筑物的使用壽命，不利于建筑行業(yè)的健康發(fā)展。究其原因，這主要是因為部分高層建筑的結構設計不合理。下面，筆者將對高層建筑物的結構設計方面進行相關探討。
1.高層建筑結構設計的特點
與一般建筑物不同，高層建筑物的結構設計工作更為復雜。一旦結構設計不合理，整個建筑物的施工過程及使用都會出現(xiàn)嚴重的問題。因此，工作人員必須從高層建筑建設的實際情況出發(fā)，制定合理的設計方案。下面，筆者將對高層建筑結構設計的主要特點進行一一闡述。
首先，在高層建筑結構設計的過程中，工作人員必須注意結構產(chǎn)生的水平力。一般來說，低層建筑物結構中，水平力產(chǎn)生的影響相對較小，而導致的側向移位也往往被人忽視。
其次，高層建筑結構設計必須能夠承受較大的承載力和足夠的抵抗側向力和剛度，這樣才能保證水平力作用下的側向位移不至于超過一定的限度。同時，要保證高層建筑物的外墻等其他的維護材料或者裝飾構件與主體結構之間可靠連接起來，減少不必要的破壞。要根據(jù)施工地點地基的承載力和剛度來確定上部結構的承載力及相應的剛度。
再次，高層建筑的結構設計應盡可能地減輕房屋的自重。對于那些土層比較軟的施工地點，由于其自振周期長，盡管增加建筑物的層數(shù)可以減小地震剪力，提高整個建筑物的性能，但高建筑也是自振周期長，容易引起共振對抗震不利，因此應確定合理的層數(shù)。另外，某些高層建筑會設有抗震設防的結構。工作人員在進行高層建筑結構設計時，必須充分勘察施工地點的地形及地質(zhì)土層情況，最好選擇那些地勢平坦、地形開闊、土層堅硬、土質(zhì)均勻的地段，避開那些地勢差異較大的、非巖質(zhì)的陡坡或者軟土地帶。同時，工作人員要注意，在勘察過程中，如果發(fā)現(xiàn)某一地段發(fā)生地震的可能性較大，抗震能力較差，則決不能進行盲目的工程建設。
2.現(xiàn)代高層建筑結構設計的注意事項
結合自己多年的工作經(jīng)驗，筆者分析了現(xiàn)代高層建筑結構設計的要求，并總結出以下幾個方面的注意事項。
2.1 充分考察高層建筑的受力情況，選擇合理的結構類型
高層建筑物結構類型的選擇，主要是由其結構體系和材料特征所決定的。我們都知道，高層建筑實質(zhì)上是一種豎向懸臂結構，其使用過程會產(chǎn)生兩種荷載：水平荷載和豎向荷載。一般來說，豎向荷載的方向并不發(fā)生變化，但隨著建筑物高度的不斷增加，水平荷載也會相應的提高，包括各種結構作用力和結構抗力等。高層建筑結構作用力主要分為兩種：直接作用力和間接作用力。前者主要指高層建筑物結構上所承載的各種集中力和分布力，包括建筑物及機器設備的自重等;后者則是指引起高層建筑結構發(fā)生變形的作用力，如溫度變化、地基變形、混凝土遇冷收縮等產(chǎn)生的力。相比直接作用力來說，間接作用力的破壞效應可能會更大，會受到建筑物地基條件及其他外在條件的影響。直接作用力和間接作用力過大，會導致高層建筑的整個結構構件發(fā)生變形等。而同時，高層建筑的結構設計會承擔一部分的迫使其變形的力量，這種能力被稱為結構的抗力。只有抗力較高的結構，才能充分發(fā)揮高層建筑物的優(yōu)良性能，延長其使用壽命。
2.2 選擇合理的結構平面布置 .協(xié)調(diào)好建筑與結構的關系
建筑物的結構平面布置必須符合以下原則：獨立結構的建筑物單元，形狀最好簡單規(guī)則，而剛度和承載力分布要均勻，絕對不要采用不規(guī)則的平面布置方式。也就是說，平面應盡可能規(guī)整，最好對稱;平面的長度不宜過長;伸縮縫的框架結構在55米左右，剪力墻結構45米左右最為合適。同時，最好使用標準層，同意布置柱網(wǎng)和層高。
2.3 做好高層建筑物的結構布局
現(xiàn)代社會，經(jīng)濟發(fā)展水平的迅速增長，使人們的思想觀念、意識等都發(fā)生了較大的變化，審美觀等方面也發(fā)生了較大的變化。高層建筑物在進行結構布局時，必須從現(xiàn)代人的生活理念出發(fā)，合理設置建筑物的結構。眾所周知，高層建筑物垂直方向的承載力較大。因此，在進行結構設計時，工作人員要重視建筑物地基受力結構的穩(wěn)定性，平衡不同地點之間的受力關系。
2.4 高層建筑物結構設計必須經(jīng)濟合理
在進行結構設計時，工作人員不僅要考慮結構的安全合理性，還要保證結構的經(jīng)濟性，保證建設單位的經(jīng)濟效益。例如，合理設置結構的跨度，板跨度越大，要求的板厚度也會相應的越大，需要的鋼筋也會較多。這將會給建設單位帶來較大的成本花費。一般來說，井字梁的使用要優(yōu)于十字梁，而十字梁的使用比沒有梁更好。同時，在保證建筑物穩(wěn)定性的前提下，高層建筑基坑的深度不應過大，但要超過冰凍深度。
除此之外，高層建筑施工單位在施工之前，要對施工地點的地址等狀況進行認真勘察。在那些地震較為頻繁的地區(qū)，工作人員應該合理設置建筑物結構，避免或者減少地震作用對高層建筑的不利影響。首先，建筑單位要合理設計抗震縫，調(diào)整平面形狀和結構布置。但必須注意，如果建筑平面較為復雜，而形狀結構等都難以調(diào)整時，要盡量將抗震縫劃分成幾個較為簡單的結構。高層建筑的高度一般大于15米，在15米之下的結構上面，縫寬最小可為100毫米，但隨著高度的增加，縫寬也要較大?？傊?，工作人員要根據(jù)不同的結構體系，合理設定抗震縫的寬度。
3.總結
隨著中國特色社會主義進程的不斷推進，我國的城市化進程的速度也在不斷加快，同時為了進一步緩和耕地不足與建筑物供不應求之間的矛盾，高層建筑物的數(shù)量越來越多。與普通建筑物相比，高層建筑物的結構設計有其獨特性。同時，任何建筑物的結構設計工作合理與否，會對整個建筑物的外觀以及穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生十分重要的作用。工作人員需要不斷更新自己的設計理念，運用先進的設計方法，才能將此項工作落到實處。同時，在進行結構設計時，相關人員必須充分考慮高層建筑的用途和基本功能，而后做好合理的設計工作。相信未來，在我國高層建筑物數(shù)量不斷增長的同時，質(zhì)量也能獲得較大的提高，我國建筑行業(yè)能夠朝著更加健康的方向發(fā)展。
參考文獻
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