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1概念设计在高层办公楼结构设计中的应用土木工程学院2006级毛猛060600888【指导老师】陈红媛、代红军、黄道梓【摘要】概念设计，一般指不经数值计算，在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制。在高层建筑结构设计中，为了保证在地震区高层建筑的工程设计质量和提高其延性性能，依据高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）和建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中有关加强抗震概念设计的部分内容，通过毕业设计实例从建筑、结构设计的简单性、整体性、规则性和均匀性、结构的刚度和抗震能力等方面加以阐述概念设计的具体运用。【关键词】高层建筑；结构分析；结构布置；概念设计【Abstract】Conceptualdesign,notgenerallyreferstonumericalcalculation,itisdifficulttomakepreciseinanumberofrationalanalysisoritisdifficulttostandardizetherequirements，basedontheoverallstructureofsystemandsub-systemrelationshipbetweenthemechanical,structuraldamagetothemechanismofdamage,testingandengineeringexperienceisobtainedbythebasicdesignprinciplesanddesignideas,fromanoverallperspectivetodeterminetheoverallstructurallayoutanddetailsofmeasuresforearthquakethemacro-control.Inhigh-risebuildingstructuredesign,inordertoensurehigh-risebuildingsintheearthquakezone2engineeringqualityandimproveitsductilityperformance,high-risebuildingofconcretestructuresinaccordancewithTechnicalSpecification(JGJ3-2002)andtheEarthquakeResistantDesignCode(GB50011-2001)concerningtheimprovementofseismicpartofconceptualdesign，throughgraduationfromthearchitecturaldesign,structuraldesignofsimplicity,integrity,anduniformityofrules,structureandtheseismicstiffnessoftheabilitiestobeontheconcreteapplicationoftheconceptualdesign.【Keywords】High-risebuilding;structuralanalysis;structuralarrangement;conceptualdesign1、概念设计概述概念是在头脑中形成的反映对象本质属性的思维形式，它是将所感知事物的共同本质特点抽象出来加以概括而形成。概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，根据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体角度来确定建筑结构总体布置和抗震细部措施的宏观控制。它要求在设计过程中始终贯穿和应用结构概念，是一种定性而非定量的分析，是整体宏观控制和细部构造措施、设计原理和工程实践经验相结合的设计思想。从总体上控制的概念设计是一个结构方案设计的基础，与建筑结构的形式、建筑类别、抗震等级、基础及主体的安全等级有关，对建筑物的安全性和经济性将产生重大的影响，这并非某条梁或某块板减少配筋量所能比拟的。因此在方案设计阶段就运用概念设计的思想是非常必要和及时的，而且要将它贯穿应用于整个设计过程，才能为建筑结构的安全性、可靠性、适用性和经济性提供有力的保证。2、工程概况本工程拟建于福州市区，地下一层，地上二十层，其建筑用途为商场和办公3楼，总建筑面积为33500m2。拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。修正后的基本风压取0.7kN/m2，地面粗糙程度为C类。地质资料显示，该场地土层自上而下分别为：①杂填土，层厚1.5～2.2m；②粉质粘土，层厚0.3—2.00m；③淤泥质土，层厚3.4～6.3m；④中砂夹薄层淤泥，层厚7.10～10.7m；⑤淤泥质土，层厚2.70～3.5m；⑥粉质粘土、层厚1.2—3.4m；⑦中砂，层厚3.30～4.50m；⑧卵石，层厚为8.6～10.2m；⑨强风化花岗斑岩。3、概念设计在结构设计中的应用概念设计之所以重要，在于在方案设计阶段，初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要综合运用结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案，为此，需要我们不断地丰富自己的结构概念，深入、深刻了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。因此我在结构设计中从以下几个方面来进行概念设计：3.1场地条件和基础选型（1）场地稳定性与适宜性评价：①地基土液化可能性判定及软土震陷判别据勘察揭露，在场地下20m深度范围内存在④中砂夹薄层淤泥，根据标准贯入试验和静力触探，经计算，④层中砂夹薄层淤泥为轻微液化土，整个场地液化等级为轻微。拟建场地上部淤泥质土承载力特征值为55KPa，波速值均大于90cm/s。因此可不考虑淤泥产生的震陷触变影响。②场地稳定性与适宜性评价拟建场地较为平坦，没发现滑坡、崩塌、泥石流、采空区及地面沉降等不良地质现象及地质灾害；另外拟建场地虽有饱和砂类土，但属轻微液化，可采用桩基等有效措施，仍适宜建设。（2）本工程设1层地下室，对结构整体抗震性能较有利，故结合地质条件，我们选用稳定性好、施工速度快、质量可靠又经济的高强混凝土预应力管桩。43.2结构体型的选择高层混凝土结构常用的结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、筒体结构和巨型结构等。本工程高度大于60米，由于框架结构在高度较高时，水平位移会很大，结构损伤较严重，而剪力墙结构要设置较多的剪力墙，不利于办公空间的布置。故选择框架-剪力墙结构，框架-剪力墙结构体系是在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差，水平荷载作用下的变形大，抵抗水平荷载能力较低的缺点，但又具有平面布置较灵活、可获得较大的空间、立面处理易于变化的优点；剪力墙结构则具有强度和刚度大，水平位移小的优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来，相互取长补短，可形成一种受力特性较好的结构体系：框架-剪力墙结构体系。框剪结构的特点有：1.变形特点框-剪结构在正常使用状态下，同时承受垂直荷载和水平荷载，在低层建筑结构中，水平作用所产生的内力和侧移很小，通常可以忽略，此时结构设计受垂直作用控制。随着建筑物高度的增加，高宽比的加大，由水平作用引起的内力和侧移逐渐加大，成为结构设计的主要控制因素。下图是建筑物高度与荷载效应的关系。由图可知，随着高度增加侧移增加最快，弯矩次之，轴力增加较缓，所以高层建筑的结构不仅需要有较大的竖向荷载承载能力，更需要有较大的水平刚度，使水平荷载产生的侧移限制在一定的范围内，这是因为:①过大的侧向变形会使人不舒服，影响使用。②过大的侧向变形会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。③过大的侧向变形会使主体结构出现裂缝，甚至损坏。5④过大的侧向变形会使结构产生附加内力，产生P-△二次效应。因此，计算高层建筑水平荷载作用效应是结构分析的主要任务之一。2.受力特点框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成共同工作的结构体系。在体系中，框架主要承受竖向荷载，剪力墙主要承受水平剪力。单片剪力墙相当于一根竖向悬臂梁，在水平力作用下，位移曲线呈弯曲型，而框架的位移曲线则呈剪切型。当它们共处于同一结构体系中工作时，结构的位移曲线介于两者之间呈弯剪型。如右图所示。3.3结构平、立面布置以及与建筑设计的协调结构平面布置应尽量简单、规则、对称，尽量使结构的刚度中心与质量中心重合，以减小扭转，结构的竖向布置要做到刚度均匀和连续，避免刚度突变和出现薄弱层。当有抗震设计要求时!结构的承载力和刚度宜自下而上逐渐减小，当上下层结构布置发生变化时，要设置结构转换层。对规范规定的不规则结构，应进行进一步的抗震验算，并对抗震薄弱部位采取有效的加强措施，对严重不规则的方案应不予采用。高层结构的平立面布置，除了上面提到的要求外，重要的一点就是要与建筑设计进行协调，本工程在进行结构平立面布置时，从以下几个方面考虑与建筑设计密切配合，使得建筑不但美观实用，而且结构受力合理：①柱网和剪力墙的布置要满足建筑平面功能要求。②建筑平面开间进深要尽量统一,便于结构构件标准化。③建筑体系变化不宜复杂。柱子剪力墙不能错位,其截面不能明显缩小或取消,同一楼层楼面标高要尽量一致,不宜设计错层和局部夹层,防止短柱及剪力集中。④楼梯间、电梯间不宜布置在受力复杂或应力容易集中的转角部位,如因需要无法满足上述要求时,必须采取加强结构措施。⑤非承重构件要选用轻质材料,承重构件采用高强材料,以便减轻结构自重,降低设计荷载。6⑥沿竖向分段改变构件截面尺寸和混凝土等级，使结构刚度自下而上递减，而且，在变化时，尺寸的改变和强度改变错开楼层布置，避免楼层刚度产生较大突变。标准层墙柱平面布置图3.4抗震设防类别和抗震等级的确定抗震设防类别关系到整个建筑的抗震设防烈度和抗震等级，对结构安全性和经济性影响较大，应严格按《建筑抗震设防分类标准》(GB50223-95)的规定执行!合理分类,再结合结构体系和建筑高度确定抗震等级。本工程按丙类设防，其中框架与剪力墙的抗震等级均为二级。3.5结构电算中的概念设计在进行结构电算时我们运用了PKPM08版的结构电算软件，在进行结构电算时，要运用概念设计对结构分析软件的计算结果进行分析判断，确认其合理、有效后方可作为工程设计的依据。《高规》明确规定要求在增加附加偏心距（5%L，L为边长）的情况下计算校核位移比。然而附加了偏心距以后，计算所得的扭转角已不能反映结构本身的性能了。完全对称的结构在增加了5%L的附加偏心距（即在SATWE中选中“偶然偏心”选项）以后，似乎变成“不对称”了，而且边长愈长，结构愈“不对称”，实际上，附加偏心距以后计算得到的位移比不能反映结构布置是否合理。如果误以7为凡是位移比超限的结构刚度布置都不对称或不匀均，单纯为了满足位移比数值要去调整剪力墙布置，不但解决不了问题，有时候可能造成另外一些不合理，例如可能形成刚度过大，或者本来对称的结构变成不对称，边长愈长的结构愈是如此。另外要检查和确定所设计的结构刚心与质心是否相差过大，是否需要调整剪力墙的布置，应当在不附加偏心距的状态下进行计算。其次，可以看到，增加抗扭刚度，能够在一定程度上减少位移比，而刚性构件在结构中的布置对结构抗扭刚度有较大的影响，提高抗扭刚度是概念设计中改进结构抗震性能的重要措施之一。周期比的限制，对于大多数结构都容易实现，但是对于某些不利布置的结构，例如风车形布置的结构或较长的结构，它们的扭转周期可能较长，按《抗规》要求调整时有两种方法：一是降低平移刚度，使平移周期加长；二是提高抗扭刚度（例如在周边加剪力墙等）。如果原来的结构刚度很大，层间侧移远小于限制值，则第一种方法可行。第二种方法可以改善结构抗扭性能，是解决结构抗扭