關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的論文(2)
建筑結(jié)構(gòu)的論文篇4
試談建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
【摘要】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在很大程度上影響著工程造價、工程質(zhì)量和工程進(jìn)度，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，本文從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原則出發(fā)，簡要地闡述了高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
【關(guān)鍵詞】優(yōu)化設(shè)計;剪力墻結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)延性
1 引言
建筑結(jié)構(gòu)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(biāo)。
結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(gòu)件剛度之間的比例關(guān)系，充分利用各構(gòu)件的受力特點，發(fā)揮它們各自的長處，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。
2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原則
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)效應(yīng)的原則
有規(guī)則建筑體型和平面布置的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的效應(yīng)，同樣可以使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟合理和安全耐用的預(yù)定目標(biāo)。
(2)提高建筑舒適度原則
建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)包含結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學(xué)性、構(gòu)件布置的合理性、構(gòu)件和材料選用的正確性等內(nèi)容;應(yīng)該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一條重要基本原則。
(3)建筑結(jié)構(gòu)整體安全度原則
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)全面考慮整體建筑的每個構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)體系中每個構(gòu)件都具有合理的可靠性，確保整個結(jié)構(gòu)體系的安全性能，確保實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)既安全耐用又經(jīng)濟合理的總目標(biāo)。
(4)不同構(gòu)件采用不同的安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則
工程設(shè)計人員必須在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過對建筑結(jié)構(gòu)的整體概念分析，采用合理的優(yōu)化設(shè)計理念和方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(shè)計經(jīng)驗來看，相比于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計通?？梢赃_(dá)到降低工程造價5%～30%的目的。
3 高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中常采用的一種結(jié)構(gòu)形式，其特點是整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)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(jié)構(gòu)材料用量的核心，剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化應(yīng)首先從減少剪力墻結(jié)構(gòu)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(shè)計中為了保證結(jié)構(gòu)為一般剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的長度須按規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)置，一般不宜減短。同時，結(jié)構(gòu)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(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的剛度。一般來說，剪力墻的設(shè)計應(yīng)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(dá)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jié)構(gòu)的延性設(shè)計
了解剪力墻結(jié)構(gòu)的特性，發(fā)揮其所長，克服其所短，是正確合理地設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)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(jié)構(gòu)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(dāng)剪力墻墻肢較長時，在力作用下法向應(yīng)力呈線性分布，破壞形態(tài)類似偏心受壓柱，配筋應(yīng)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(yīng)將底部截面的組合設(shè)計內(nèi)力適當(dāng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(dāng)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(yīng)限制墻肢或連梁的平均剪應(yīng)力與混凝土的軸壓比，即限制剪壓比就是限制剪力設(shè)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。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010對墻肢在一、二、三級抗震墻的軸壓比進(jìn)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(shè)置約束邊緣構(gòu)件。
(3)剪力墻結(jié)構(gòu)的連梁優(yōu)化設(shè)計
在高層剪力墻結(jié)構(gòu)中，連梁是一項關(guān)鍵的耗能構(gòu)件，其剪切破壞將對結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生極為不利的影響，并會極大地降低結(jié)構(gòu)體系的延性。因此在高層剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中，一定要注意對連梁進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計成為截面、剛度較小的弱連梁。同時，在滿足結(jié)構(gòu)剛度與變形要求時，應(yīng)從經(jīng)濟角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件。
(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件在優(yōu)化設(shè)計中的運用
隨著計算機技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論的結(jié)合，基于計算仿真的優(yōu)化設(shè)計思路已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。通過利用計算機分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計的分析模型，采用高效的計算機優(yōu)化計算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到的目標(biāo)要求，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，優(yōu)化設(shè)計實際上已經(jīng)由一個工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€數(shù)學(xué)問題。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，基于這一思想的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢。因此，工程設(shè)計人員加強基于計算機技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析非常必要。
4、結(jié)語
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)(如重量、造價、剛度等)為最佳的設(shè)計方法。也就是要在所有可用方案和做法中，按某一目標(biāo)選出最優(yōu)的方法。設(shè)計是規(guī)范加上工程師判斷和創(chuàng)造的產(chǎn)物，設(shè)計優(yōu)化在一定程度上意味著對常規(guī)的突破，但結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計并不以犧牲安全來求得經(jīng)濟效益。這就要求我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求和建設(shè)單位的需要，來對其高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選擇與優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
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建筑結(jié)構(gòu)的論文篇5
試論高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計
[摘 要]高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計工作是高層建筑物施工之前最重要的任務(wù)之一。在本論文中，筆者首先分析了高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，而后對高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)要求及注意事項進(jìn)行了深入探討。
[關(guān)鍵詞]高層建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)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(dǎo)致建筑用地的不斷增多，使得當(dāng)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(shè)上。也正因為如此，當(dāng)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(yīng)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(yán)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(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。下面，筆者將對高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行相關(guān)探討。
1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點
與一般建筑物不同，高層建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作更為復(fù)雜。一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，整個建筑物的施工過程及使用都會出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。因此，工作人員必須從高層建筑建設(shè)的實際情況出發(fā)，制定合理的設(shè)計方案。下面，筆者將對高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要特點進(jìn)行一一闡述。
首先，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，工作人員必須注意結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平力。一般來說，低層建筑物結(jié)構(gòu)中，水平力產(chǎn)生的影響相對較小，而導(dǎo)致的側(cè)向移位也往往被人忽視。
其次，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須能夠承受較大的承載力和足夠的抵抗側(cè)向力和剛度，這樣才能保證水平力作用下的側(cè)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(hù)材料或者裝飾構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的承載力及相應(yīng)的剛度。
再次，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)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(yīng)確定合理的層數(shù)。另外，某些高層建筑會設(shè)有抗震設(shè)防的結(jié)構(gòu)。工作人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)行盲目的工程建設(shè)。
2.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的注意事項
結(jié)合自己多年的工作經(jīng)驗，筆者分析了現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，并總結(jié)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(jié)構(gòu)類型
高層建筑物結(jié)構(gòu)類型的選擇，主要是由其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(yīng)的提高，包括各種結(jié)構(gòu)作用力和結(jié)構(gòu)抗力等。高層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上所承載的各種集中力和分布力，包括建筑物及機器設(shè)備的自重等;后者則是指引起高層建筑結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)致高層建筑的整個結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生變形等。而同時，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計會承擔(dān)一部分的迫使其變形的力量，這種能力被稱為結(jié)構(gòu)的抗力。只有抗力較高的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)平面布置 .協(xié)調(diào)好建筑與結(jié)構(gòu)的關(guān)系
建筑物的結(jié)構(gòu)平面布置必須符合以下原則：獨立結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)在55米左右，剪力墻結(jié)構(gòu)45米左右最為合適。同時，最好使用標(biāo)準(zhǔn)層，同意布置柱網(wǎng)和層高。
2.3 做好高層建筑物的結(jié)構(gòu)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(jìn)行結(jié)構(gòu)布局時，必須從現(xiàn)代人的生活理念出發(fā)，合理設(shè)置建筑物的結(jié)構(gòu)。眾所周知，高層建筑物垂直方向的承載力較大。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，工作人員要重視建筑物地基受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，平衡不同地點之間的受力關(guān)系。
2.4 高層建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計必須經(jīng)濟合理
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，工作人員不僅要考慮結(jié)構(gòu)的安全合理性，還要保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，保證建設(shè)單位的經(jīng)濟效益。例如，合理設(shè)置結(jié)構(gòu)的跨度，板跨度越大，要求的板厚度也會相應(yīng)的越大，需要的鋼筋也會較多。這將會給建設(shè)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(yīng)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(jìn)行認(rèn)真勘察。在那些地震較為頻繁的地區(qū)，工作人員應(yīng)該合理設(shè)置建筑物結(jié)構(gòu)，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(shè)計抗震縫，調(diào)整平面形狀和結(jié)構(gòu)布置。但必須注意，如果建筑平面較為復(fù)雜，而形狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。高層建筑的高度一般大于15米，在15米之下的結(jié)構(gòu)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。總之，工作人員要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)體系，合理設(shè)定抗震縫的寬度。
3.總結(jié)
隨著中國特色社會主義進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國的城市化進(jìn)程的速度也在不斷加快，同時為了進(jìn)一步緩和耕地不足與建筑物供不應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計有其獨特性。同時，任何建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計理念，運用先進(jìn)的設(shè)計方法，才能將此項工作落到實處。同時，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，相關(guān)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(shè)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。
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