高层住宅钢筋混凝土建筑优化

高层住宅钢筋混凝土建筑优化

摘 要：目前，钢筋混凝土剪力墙结构在高层住宅建筑工程中得到了十分广泛的应用。由于钢筋混凝土剪力墙结构具有较强的刚性、强度以及抗震性能，剪力墙可以结合建筑的隔墙进行布置，很好地满足建筑功能房间的布置的需求，尤其是在如今高层住宅建筑越来越多的环境下，钢筋混凝土剪力墙结构更是发挥着不可替代的作用。

关键词：结构优化;高层住宅;剪力墙结构

Key words: structural optimization; High-rise housing; Shear wall construction

随着钢筋混凝土结构应用于高层建筑越来越广泛,要想保证高层建筑规范达到规定的标准,就必须遵循一定的原则,加强高层的建筑结构的使用维护、施工及设计。国内常用的钢筋混凝土高层建筑结构体系有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和简体结构,在应用框架结构的基础上。又发展了板柱-剪力墙结构和巨型结构两种结构体系。复杂高层建筑结构体系是一些功能更广泛,相应地结构更复杂的体系。实际工程中还有一些复杂结构,如错层结构、大底盘多塔楼结构以及不同复杂结构的组合,它包含带转换层结构、连体结构、带加强层结构、竖向收进和悬挑结构和平面不规则结构。钢筋混凝土高层建筑结构设计不仅要满足相关要求规定与现行规范,还要遵循结构优化设计的原则。

在过去的几十年里，结构优化已经成为土木工程项目的主要任务。事实上，由于每一个结构的复杂性和特殊性，大量的变量和设计标准要考虑到许多其他因素，一个通用的优化方法是不容易制定的。因此，本文的重点是如何为特定的建筑类型：高层钢筋混凝土建筑，提供一个成功的优化方法。本文所述优化方法是将主体结构分解为以下子结构:楼板体系、竖向抗荷体系、横向抗荷体系和基础体系;在此基础上，利用建筑规范中的设计准则对各子系统进行改进。由于上部结构优化对基础体系的影响，在对楼板进行改进后，最后考虑竖向和横向抗荷载体系。最后，举述一个例子，利用本文介绍的方法，对某30层高层住宅综合体进行了分析和优化，其在结构性能方面取得了良好的效果，降低了结构的整体成本。

在我们的社会中，结构的经济成本显然是一个项目中最优先考虑的因素，结构设计已经成为一个主要的关注因素;然而，在现有的有限元程序法的帮助下，结构设计是一个简单的任务。但对于同一建筑，可能存在不同的结构体系和经济成本;这个概念导致了结构的优化。结构优化是在不超过设计标准(强度、耐用性、稳定性和人体舒适度)的情况下，根据建筑布局和工程师的意见对初步设计进行改进的过程。这项改善是考虑到每个元素、横截面和结构构件的要求，并应尽可能接近标准所规定的限度，以便更好地减少项目的经济损失。然而，这一主题过于宽泛，在本文中无法充分讨论;因此，本文只关注高层住宅钢筋混凝土建筑的优化。其方法是以剪力墙结构为横向荷载和竖向荷载抵抗体系，中间为连接梁和二次梁，双向板为重力楼板体系，筏板和从动桩为深基础体系。为了减少研究范围，优化将集中在几个方面的主要结构元素:板、剪力墙、梁、桩和筏板。除了建筑的正常情况外，研究还包括横向荷载的影响，特别关注地震和风荷载。对于这种高层结构，在结构设计中，两个侧向荷载是决定性的。因此，解决地震对地基和剪力墙体系的影响将是本文研究的主要挑战和重点。

如何开始进行结构优化，我们首先要把整个结构分解成子系统，然后选择一系列的优化变量分别进行研究。子结构中结构分离的目的是更全面地研究单个优化变量，然后观察其对结构的影响。确定子系统之后的步骤是确定优化的顺序和在每个子系统中选择的优化标准。但如何确定最合适的顺序，我们只需要考虑该元素的优化将对其他元素和整个结构的影响。由于基础系统是结构中第一个要建立的系统，因此从逻辑上讲，它应该是第一个要优化的系统;然而，基础系统与施加在基础上的荷载有直接关系。因此，我们可以得出结论，它是最后一个需要优化的子系统。此外，第一个优化步骤的问题的明显答案是地板系统;由于地板系统只依赖于其他子系统作为边界条件，其原因是施加在其上的荷载在结构中是不变的。针对高层钢筋混凝土结构本身具有的抗竖向和侧向荷载的特点，提出了第二步和第三步的优化方案；最后对基础系统进行优化。其中一个子系统的优化会影响到其他要素，因此，在对一个子系统进行优化之后，还要考虑对其他子系统的优化会产生什么影响。例如，板厚度的减少将提供更低的荷载在每一层，将影响横向荷载和竖向抗荷载系统的要求，显然基础系统的要求也将减少。然后，如果我们考虑结构中不同的剪力墙布局，它将在边界条件方面对楼板系统产生影响。因此，整个优化过程是一个迭代的过程，直到找到最终的解决方案。

一旦优化顺序确定下来后，应当考虑如何进行优化，这也是优化过程中最重要的一步。正如文章之前所介绍的，有大量的变量需要优化，如果我们考虑每个元素之间的交互，优化几乎有无限的可能性。为了简化

和尽可能降低成本，我们应该在每个子系统中选择一个或多个要优化的变量。此外，我们必须将设计标准作为优化的目标，在这种情况下，标准是固定的，但是我们仍然可以关注其中的一个或多个。本文将不讨论标准，但是在每个子系统的优

化过程中都会提到它们。

由于楼层系统是我们优化过程中第一个进行优化的系统;我们将从它开始介绍优化过程。地板系统是建筑物中最消耗重量的系统之一，约占20%。如果我们单独考虑楼板系统的成本:其中模板就消耗了楼板成本的45% - 55%，因此一个普通的楼板，不改变每层的布局和形状，将会带来一个更低的楼板成本;30% - 35%的成本由混凝土提供，包括浇筑和修整;较小的部分成本由钢筋提供。从而，我们可以从中得出结论，对于剪力墙布置，较好的解决方案是提供一个平板;另一个结论是，由于混凝土的低差异价格，混凝土的体积将会是最重要的优化因素，而不是混凝土的分级。一旦我们确定了优化的变量，在这种情况下，对于平板和板厚，我们应该设置设计标准，除了强度和其他要求外，最重要的是挠度，即梁的截面形心在垂直于轴线方向的线位移。然而，如果我们考虑标准，有两种可能的方法来实现这些挠度要求:一是使用代码建立的最小厚度，第二是考虑长期挠度计算的最大挠度。最后，我们可以进行优化，在这篇论文中，我选择了商业软件SAFE 2014来进行混凝土的长期分析，其中考虑了徐变和收缩，其中徐变指的是混凝土在某一不变荷载的长期作用下，其应变随时间而增长的现象，收缩指的混凝土在空气中结硬时体积减小的现象。一旦对地板系统进行优化，就需要对原有的模型进行更新和重新研究。在这种情况下，我选择商业软件ETABS 2014对上层结构(抗侧载系统)进行优化分析。在地板优化过程完成后，新结构的性能将指导横向抗荷载和竖向抗荷载系统的优化。在这种情况下，也有多个变量需要考虑，但主要的是集中在主要的结构元素：剪力墙。剪力墙应考虑的主要参数是:墙厚和布置，以及混凝土沿高度的分级研究和连接梁与墙体系统模型开口的可能变化。同样，与楼板相似，强度、粘结度、使用要求必须满足，但这两个子系统优化的主要设计标准是层间漂移。系统优化后，我们将需要检查地板系统是否仍然满足计算长期挠度要求。在对楼板体系、横向和竖向抗荷载体系进行优化后，可以认为是对整个上部结构进行了优化。

下面的步骤是将上层建筑的动作导入到基础上。选择的软件模型和优化的基础系统是商业软件SAFE 2014。这种情况下，深基础系统由两个主要部分组成:筏板和桩。为了优化整体，我们会为每一个部分选择不

同的参数;筏板的厚度为优化参数，主要设计要求为冲剪;而对于桩，主要的优化参数是桩的长度和直径，桩的位置在剪力墙下。此外，我们将考虑采用后灌浆的可能性，主要的设计标准是横向荷载作用下的极限强度。同时也应实现整个地基的全面沉降，避免差异沉降和其他可能出现的问题。作为结论，我们可以说这个过程在所有的可能性中只有几个变量。除了需要考虑的主要参数外，还有一个额外的参数，它对于满足需求非常重要，那就是挠率。高层住宅建筑的墙体布置明显不规范，在地震等侧向荷载作用下，有时会产生较大的扭转效应。因此，为了避免扭转效应现象，我们必须首先观察和理解初始结构，确定是否存在扭转问题，这个问题可能会因为提出的优化方案而变得更糟，从而产生反作用。如果有的话，我们会在开始进行剪力墙优化前对其进行补偿。扭转效应可以通过简单地将每个楼层的质量中心和刚度中心尽可能地靠近来解决，这可能看起来很困难，但是随着一些剪力墙厚度的增加和布局的改变，这种效应很容易实现。

对于确定设计标准，其目的是在强度、使用性能、稳定性和人体舒适度方面达到良好的结构性能，并能节约成本。首先确定以剪力墙结构和深基础为基础体系的高层建筑的基本要求，这也是本研究的目的所在。然后利用这些准则对原结构进行修改，实现优化。建筑优化必须遵循特定的设计标准。这些设计标准已经建立了建筑规范,比如欧洲Eurocode、美国IBC… IBC是美国的建筑规范，其目的是建立建筑系统的最低规范，使用规整的和与性能相关的规定，从而保障所有社区的公共卫生和安全。

对于混凝土构件的强度要求，我国高层建筑中主要的ACI 318对混凝土构件提出了一系列的强度要求。这些结构和构件在设计时，应使每一节的设计强度高于或等于规定的荷载组合计算出的所需强度。各构件所需的极限强度为荷载组合的最大值，应分别考虑不同因素荷载的影响。

应力比结构IBC规范为每个构件提供了两种不同的极限条件:截面和连接;一个是关于极限强度的LRDF方法，另一个是关于许用应力设计的，即ASD方法。应力设计也是我们结构设计的一个有效目标。板和梁是承受较大挠度的主要构件。特别注意板的偏转,将是一个巨大的优化参数，具体消耗的总量和结构的重量会影响整个结构的动态行为。然而，如果我们考虑挠曲下构件的有限元分析，厚度准则可以忽略。

层间漂移要求设计是从质量中心开始测量的两个连续楼层漂移的差值。然而，在实际的结构设计中，由于非结构隔墙可能受到破坏，往往有一个更安全的最大漂移约1/400倍高度的地板。

案例分析：本文的这一部分展示了位于仰光地区的一系列在建筑上的优化过程，仰光是缅甸人口最多、社会经济最重要的城市之一。优化后的建筑完全符合上述描述:高层钢筋混凝土建筑，剪力墙作为侧向抵抗体系，平板作为楼板体系，采用桩作为基础体系。高层建筑由于受风、地震等侧向荷载的作用，对侧向力有重要的要求。我们的研究对象也是在高震区，其震区大部分位于以砂、粉砂、粘土为主的软冲积平原。此外，过去曾发生过几次地震，地震发生正经过离仰光约50公里的地方。结果表明，仰光峰值加速度为0.11 g ~ 0.2 g，对地基的侧向力和剪力墙设计有较高的要求。因此，设计的主要问题是根据地震荷载组合给出极限强度和使用状态。在我国特定地区，所有的潜在地震震级分别为7.5级和7.0级。因此，为了进行长期挠度分析，我们首先要创造符合ACI 318定义的荷载组合。荷载组合是三种不同荷载的线性组合。剪力墙优化在我们的结构设计中的主要挑战是横向荷载，由于位置在高震区、以及高层建筑本身的特点(30层楼高)。因此，我们应该充分认识横向位移现象。在这的例子中，我们可以清楚地确定我们有一个关于扭转的问题。两座建筑的下层阳台都有较大的侧向位移;这是由扭力引起的，扭力来自于质量中心与楼板刚性中心的距离。因此，本文提出的解决方案是减少结构背部的剪力墙数量，增加结构底部的剪力墙数量。这一概念是由开放的手段减小扭力,并添加剪力墙以减少漂移。混凝土和钢的含量明显减少了横向结构的使用。此外，横向位移、结构自重和基底剪力三个方面都得到了改善。因此，很明显，该结构在经济和结构性能方面得到了优化。

基础优化我已经描述了，上部结构优化将提供较低的要求的桩。桩的初始最大轴向强度为3500kn，这是一个改进余地不够大的强度，因此考虑后注浆桩是一个可能的解决方案。后注浆是在桩旁土体中加入砂浆，提高有效桩径，通过增加桩与土的表面摩擦来改善桩与土的粘结。通过咨询公司Myanmar Zhi Geotechnical Engineering Service的研究，根据ASD方法，确定桩柱灌注桩承载力提升至6500 kN轴向阻力。因此，我们可以在成本的基础上大大减少桩的数量。优化的主要重点是将桩置于墙下，以减少冲剪，减少筏板厚度。我认为增加桩数会使总桩数减少60%左右。以下为优化后的结构性能比较:

基础体系比较：基础方面的改进主要集中在桩的用量和冲剪问题的解决上，另一方面也有挠度增大的反作用。

楼板系统比较：楼板的优化旨在达到设计标准内的挠度，并在原标准的基础上有所降低。

楼层体系比较采用的主要判据是高层建筑沿高度的漂移和挠度。

本论文证明了在EEUU IBC及其相关规范的建筑规范范围内，制定高层住宅钢筋混凝土建筑的优化准则是可行的。后注浆、剪力墙减薄和减板已被证明是降低结构整体成本的有效方法，也带来了结构性能的改善。[参考文献]

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