土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.pdf

1 摘要摘要 建筑概念的認(rèn)識， 原生概念：遮風(fēng)避雨的場所；抽象概念：藝術(shù)之母、凝 固的音樂、石頭的史書、空間的藝術(shù)、光的藝術(shù)；綜合概念：集藝術(shù)、人文、技 術(shù)于一體的滿足人們生活、工作的場所。概念設(shè)計(jì)，一般指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，在一 些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題， 依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體 系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè) 計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想， 從整體的角度來確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置和抗震細(xì)部措施的 宏觀控制。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了保證在地震區(qū)高層建筑的工程設(shè)計(jì)質(zhì)量 和提高其延性性能，依據(jù)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）和建筑抗 震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50011-2001）中有關(guān)加強(qiáng)抗震概念設(shè)計(jì)的部分內(nèi)容，通過畢業(yè) 設(shè)計(jì)實(shí)例從建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡單性、整體性、規(guī)則性和均勻性、結(jié)構(gòu)的剛度和 抗震能力等方面加以闡述概念設(shè)計(jì)的具體運(yùn)用。 【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)布置；概念設(shè)計(jì) 2 【 Abstract 】 Conceptual design, not generally refers to numerical calculation, it is difficult to make precise in a number of rational analysis or it is difficult to standardize the requirements，based on the overall structure of system and sub-system relationship between the mechanical, structural damage to the mechanism of damage, testing and engineering experience is obtained by the basic design principles and design ideas, from an overall perspective to determine the overall structural layout and details of measures for earthquake the macro-control. In high-rise building structure design, in order to ensure high-rise buildings in the earthquake zone engineering quality and improve its ductility performance, high-rise building ofconcretestructuresinaccordancewithTechnicalSpecification (JGJ3-2002) and the Earthquake Resistant Design Code (GB50011-2001) concerning the improvement of seismic part of conceptual design，through graduation from the architectural design, structural design of simplicity, integrity, and uniformity of rules, structure and the seismic stiffness of the abilities to be on the concrete application of the conceptual design. 【 Key words 】 High-risebuilding;structuralanalysis;structural arrangement; conceptual design 3 引言引言 設(shè)計(jì)體制的問題：在建筑 設(shè)計(jì)的方案階段，結(jié)構(gòu)工 程師一般不投入工作。限制和 約束了 某些結(jié)構(gòu)工程師知識結(jié)構(gòu)業(yè)主所 的問題：注重細(xì)節(jié)而忽視結(jié)構(gòu)工程師想要的 總體方案。對結(jié)構(gòu)概念空間形 當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式的問題：和結(jié)構(gòu)體系式和功 規(guī)范+一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)不感興趣，能 設(shè)計(jì)程序。工作缺乏創(chuàng) 造性 有一定復(fù)雜性的工程設(shè)計(jì)，在建筑方案設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)工程師的參與是項(xiàng)目 設(shè)計(jì)所必要的知識投入。 在此階段，需要結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)體系的總體認(rèn)識，對結(jié)構(gòu)受力和變形特性 的整體概念，也需要關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和判斷力。 4 1 1、概念設(shè)計(jì)概述、概念設(shè)計(jì)概述 概念是在頭腦中形成的反映對象本質(zhì)屬性的思維形式， 它是將所感知事物的 共同本質(zhì)特點(diǎn)抽象出來加以概括而形成。概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)數(shù)值計(jì)算，尤其在 一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中， 根據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與 分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基 本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想， 從整體角度來確定建筑結(jié)構(gòu)總體布置和抗震細(xì)部措施的 宏觀控制。它要求在設(shè)計(jì)過程中始終貫穿和應(yīng)用結(jié)構(gòu)概念，是一種定性而非定量 的分析，是整體宏觀控制和細(xì)部構(gòu)造措施、設(shè)計(jì)原理和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的設(shè) 計(jì)思想。 從總體上控制的概念設(shè)計(jì)是一個(gè)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，與建筑結(jié)構(gòu)的形式、 建筑類別、抗震等級、基礎(chǔ)及主體的安全等級有關(guān)，對建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性 將產(chǎn)生重大的影響，這并非某條梁或某塊板減少配筋量所能比擬的。因此在方案 設(shè)計(jì)階段就運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的思想是非常必要和及時(shí)的， 而且要將它貫穿應(yīng)用于整 個(gè)設(shè)計(jì)過程，才能為建筑結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性、適用性和經(jīng)濟(jì)性提供有力的保 證。 2、工程概況、工程概況 本工程擬建于福州市區(qū)，地下一層，地上二十層，其建筑用途為商場和辦公 樓，總建筑面積為33500m 2 。擬建場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速 度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為類。修正后的基本風(fēng)壓取 0.7kN/m 2 ，地面粗糙程度為C類。 地質(zhì)資料顯示， 該場地土層自上而下分別為： 雜填土， 層厚 1.52.2m； 粉質(zhì)粘土，層厚 0.32.00m； 淤泥質(zhì)土，層厚 3.46.3m； 中砂夾薄 層淤泥，層厚 7.1010.7m； 淤泥質(zhì)土，層厚 2.703.5m； 粉質(zhì)粘土、層 厚 1.23.4m； 中砂，層厚 3.304.50m； 卵石，層厚為 8.610.2m； 強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖。 3、概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用、概念設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 概念設(shè)計(jì)之所以重要，在于在方案設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)過程是不能借助于計(jì) 算機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。這就需要綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念，選擇效果最好、造價(jià)最低的結(jié)構(gòu)方 5 案，為此，需要我們不斷地豐富自己的結(jié)構(gòu)概念，深入、深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性 能，并能有意識地、靈活地運(yùn)用它們。因此我在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中從以下幾個(gè)方面來進(jìn) 行概念設(shè)計(jì)： 3.1 場地條件和基礎(chǔ)選型場地條件和基礎(chǔ)選型 （1）場地穩(wěn)定性與適宜性評價(jià)： 地基土液化可能性判定及軟土震陷判別 據(jù)勘察揭露，在場地下20m深度范圍內(nèi)存在中砂夾薄層淤泥，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫 入試驗(yàn)和靜力觸探，經(jīng)計(jì)算，層中砂夾薄層淤泥為輕微液化土，整個(gè)場地液化 等級為輕微。 擬建場地上部淤泥質(zhì)土承載力特征值為55KPa，波速值均大于90cm/s。因此 可不考慮淤泥產(chǎn)生的震陷觸變影響。 場地穩(wěn)定性與適宜性評價(jià) 擬建場地較為平坦，沒發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)及地面沉降等不良 地質(zhì)現(xiàn)象及地質(zhì)災(zāi)害；另外擬建場地雖有飽和砂類土，但屬輕微液化，可采用樁 基等有效措施，仍適宜建設(shè)。 （2）本工程設(shè)1層地下室，對結(jié)構(gòu)整體抗震性能較有利，故結(jié)合地質(zhì)條件， 我們選用穩(wěn)定性好、施工速度快、質(zhì)量可靠又經(jīng)濟(jì)的高強(qiáng)混凝土預(yù)應(yīng)力管樁。 3.2 結(jié)構(gòu)體型的選擇結(jié)構(gòu)體型的選擇 高層混凝土結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié) 構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)和巨型結(jié)構(gòu)等。 本工程高度大于 60 米，由于框架結(jié)構(gòu)在高度較高時(shí)，水平位移會很大，結(jié) 構(gòu)損傷較嚴(yán)重，而剪力墻結(jié)構(gòu)要設(shè)置較多的剪力墻，不利于辦公空間的布置。故 選擇框架-剪力墻結(jié)構(gòu)， 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪 力墻所組成的結(jié)構(gòu)體系。由于框架結(jié)構(gòu)具有側(cè)向剛度差，水平荷載作用下的變形 大，抵抗水平荷載能力較低的缺點(diǎn)，但又具有平面布置較靈活、可獲得較大的空 間、立面處理易于變化的優(yōu)點(diǎn)；剪力墻結(jié)構(gòu)則具有強(qiáng)度和剛度大，水平位移小的 優(yōu)點(diǎn)與使用空間受到限制的缺點(diǎn)。將這兩種體系結(jié)合起來，相互取長補(bǔ)短，可形 成一種受力特性較好的結(jié)構(gòu)體系：框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。 框剪結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)有： 6 1. 變形特點(diǎn) 框-剪結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下，同時(shí)承受垂直荷載和水平荷載，在低層建筑 結(jié)構(gòu)中，水平作用所產(chǎn)生的內(nèi)力和側(cè)移很小，通?？梢院雎?，此時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受垂 直作用控制。隨著建筑物高度的增加，高寬比的加大，由水平作用引起的內(nèi)力和 側(cè)移逐漸加大，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素。下圖是建筑物高度與荷載效應(yīng)的 關(guān)系。 由圖可知， 隨著高度增加側(cè)移增加 最快，彎矩次之，軸力增加較緩，所以 高層建筑的結(jié)構(gòu)不僅需要有較大的豎 向荷載承載能力， 更需要有較大的水平 剛度， 使水平荷載產(chǎn)生的側(cè)移限制在一 定的范圍內(nèi)，這是因?yàn)? 過大的側(cè)向變形會使人不舒服， 影響使用。 過大的側(cè)向變形會使填充墻或建筑裝修出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯、軌 道變形。 過大的側(cè)向變形會使主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，甚至損壞。 過大的側(cè)向變形會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，產(chǎn)生P-二次效應(yīng)。 因此，計(jì)算高層建筑水平荷載作用效應(yīng)是結(jié)構(gòu)分析的主要任務(wù)之一。 2. 受力特點(diǎn) 框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁 組成共同工作的結(jié)構(gòu)體系。在體系中，框架主要 承受豎向荷載，剪力墻主要承受水平剪力。單片 剪力墻相當(dāng)于一根豎向懸臂梁， 在水平力作用下， 位移曲線呈彎曲型，而框架的位移曲線則呈剪切 型。當(dāng)它們共處于同一結(jié)構(gòu)體系中工作時(shí)，結(jié)構(gòu) 的位移曲線介于兩者之間呈彎剪型。 如右圖所示。 3.3 結(jié)構(gòu)平、立面布置以及與建筑設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)平、立面布置以及與建筑設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào) 結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)盡量簡單、規(guī)則、對稱，盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心 7 重合，以減小扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的豎向布置要做到剛度均勻和連續(xù)，避免剛度突變和出 現(xiàn)薄弱層。當(dāng)有抗震設(shè)計(jì)要求時(shí)!結(jié)構(gòu)的承載力和剛度宜自下而上逐漸減小，當(dāng) 上下層結(jié)構(gòu)布置發(fā)生變化時(shí)，要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。對規(guī)范規(guī)定的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，應(yīng) 進(jìn)行進(jìn)一步的抗震驗(yàn)算，并對抗震薄弱部位采取有效的加強(qiáng)措施，對嚴(yán)重不規(guī)則 的方案應(yīng)不予采用。 高層結(jié)構(gòu)的平立面布置，除了上面提到的要求外，重要的一點(diǎn)就是要與建筑 設(shè)計(jì)進(jìn)行協(xié)調(diào)，本工程在進(jìn)行結(jié)構(gòu)平立面布置時(shí)，從以下幾個(gè)方面考慮與建筑設(shè) 計(jì)密切配合，使得建筑不但美觀實(shí)用，而且結(jié)構(gòu)受力合理： 柱網(wǎng)和剪力墻的布置要滿足建筑平面功能要求。 建筑平面開間進(jìn)深要盡量統(tǒng)一,便于結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化。 建筑體系變化不宜復(fù)雜。柱子剪力墻不能錯(cuò)位,其截面不能明顯縮小或取 消,同一樓層樓面標(biāo)高要盡量一致,不宜設(shè)計(jì)錯(cuò)層和局部夾層,防止短柱及剪力集 中。 樓梯間、電梯間不宜布置在受力復(fù)雜或應(yīng)力容易集中的轉(zhuǎn)角部位,如因需 要無法滿足上述要求時(shí),必須采取加強(qiáng)結(jié)構(gòu)措施。 非承重構(gòu)件要選用輕質(zhì)材料,承重構(gòu)件采用高強(qiáng)材料,以便減輕結(jié)構(gòu)自重, 降低設(shè)計(jì)荷載。 沿豎向分段改變構(gòu)件截面尺寸和混凝土等級，使結(jié)構(gòu)剛度自下而上遞減， 而且，在變化時(shí)，尺寸的改變和強(qiáng)度改變錯(cuò)開樓層布置，避免樓層剛度產(chǎn)生較大 突變。 8 標(biāo)準(zhǔn)層墻柱平面布置圖 3.4 抗震設(shè)防類別和抗震等級的確定抗震設(shè)防類別和抗震等級的確定 抗震設(shè)防類別關(guān)系到整個(gè)建筑的抗震設(shè)防烈度和抗震等級， 對結(jié)構(gòu)安全性和 經(jīng)濟(jì)性影響較大， 應(yīng)嚴(yán)格按建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn) (GB50223-95)的規(guī)定執(zhí)行! 合理分類,再結(jié)合結(jié)構(gòu)體系和建筑高度確定抗震等級。本工程按丙類設(shè)防，其中 框架與剪力墻的抗震等級均為二級。 3.5 結(jié)構(gòu)電算中的概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電算中的概念設(shè)計(jì) 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)電算時(shí)我們運(yùn)用了PKPM08版的結(jié)構(gòu)電算軟件，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)電算 時(shí)，要運(yùn)用概念設(shè)計(jì)對結(jié)構(gòu)分析軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷，確認(rèn)其合理、有 效后方可作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。 高規(guī)明確規(guī)定要求在增加附加偏心距（5%L，L為邊長）的情況下計(jì)算 校核位移比。然而附加了偏心距以后，計(jì)算所得的扭轉(zhuǎn)角已不能反映結(jié)構(gòu)本身的 性能了。完全對稱的結(jié)構(gòu)在增加了5%L的附加偏心距（即在SATWE中選中“偶然 偏心”選項(xiàng)）以后，似乎變成“不對稱”了，而且邊長愈長，結(jié)構(gòu)愈“不對稱”，實(shí) 際上， 附加偏心距以后計(jì)算得到的位移比不能反映結(jié)構(gòu)布置是否合理。如果誤以 為凡是位移比超限的結(jié)構(gòu)剛度布置都不對稱或不勻均， 單純?yōu)榱藵M足位移比數(shù)值 要去調(diào)整剪力墻布置，不但解決不了問題，有時(shí)候可能造成另外一些不合理，例 如可能形成剛度過大，或者本來對稱的結(jié)構(gòu)變成不對稱，邊長愈長的結(jié)構(gòu)愈是如 9 此。 另外要檢查和確定所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)剛心與質(zhì)心是否相差過大， 是否需要調(diào)整剪 力墻的布置，應(yīng)當(dāng)在不附加偏心距的狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算。其次，可以看到，增加抗 扭剛度，能夠在一定程度上減少位移比，而剛性構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的布置對結(jié)構(gòu)抗扭 剛度有較大的影響， 提高抗扭剛度是概念設(shè)計(jì)中改進(jìn)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要措施之 一。 周期比的限制， 對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)都容易實(shí)現(xiàn)， 但是對于某些不利布置的結(jié)構(gòu)， 例如風(fēng)車形布置的結(jié)構(gòu)或較長的結(jié)構(gòu)，它們的扭轉(zhuǎn)周期可能較長，按抗規(guī)要 求調(diào)整時(shí)有兩種方法：一是降低平移剛度，使平移周期加長；二是提高抗扭剛度 （例如在周邊加剪力墻等） 。 如果原來的結(jié)構(gòu)剛度很大， 層間側(cè)移遠(yuǎn)小于限制值， 則第一種方法可行。第二種方法可以改善結(jié)構(gòu)抗扭性能，是解決結(jié)構(gòu)抗扭薄弱的 根本方法。在結(jié)構(gòu)變?nèi)岷?，扭轉(zhuǎn)角較大會對抗震不利，因此最好是在盡量提高抗 扭性能的基礎(chǔ)上，減少平移剛度，剛性構(gòu)件設(shè)置愈靠建筑邊緣，抗扭剛度改善愈 多。但是，將周邊剪力墻的連梁加高，雖然有利于增加抗扭剛度，但造成剪力墻 延性減小，不利于抗震。 位移比和周期比是一個(gè)相對的數(shù)值，在相同的位移比下，當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較小、 平均側(cè)向位移較大時(shí)， 扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的最大位移也較大， 可能它對結(jié)構(gòu)的危害也較大； 相反，如果是同樣的位移比，當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移較小時(shí)，結(jié)構(gòu)的最大位移也較?。?規(guī)范沒有區(qū)分不同情況， 而是采用了統(tǒng)一的位移比限值。 對于剛度較大的結(jié)構(gòu) （層 數(shù)不多，高度不大或剪力墻較多的住宅結(jié)構(gòu)）或高層建筑底部有偏置裙房，而裙 房高度不大時(shí)，要求似乎有些過嚴(yán)了。此時(shí)可以將位移比與位移最大值進(jìn)行綜合 考慮，在剛度較大、位移較小、且扭轉(zhuǎn)周期符合要求的結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)放寬位移比 限制值， 同時(shí)要求采取提高抗扭承載力或其它有效的抗扭措施， 以確保結(jié)構(gòu)安全。 4、總結(jié)、總結(jié) 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中， 建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)無疑是高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中最為重要的 一環(huán)， 運(yùn)用概念設(shè)計(jì)方法，可以在建筑設(shè)計(jì)的方案階段就迅速有效地對結(jié)構(gòu)體系 進(jìn)行構(gòu)思比較與選擇，從而使方案概念清晰和定性正確，避免在后期設(shè)計(jì)階段出 現(xiàn)一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，同時(shí)也可作為判斷計(jì)算 機(jī)程序內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)是否可靠的主要依據(jù)。 對于實(shí)際存在的大量無法計(jì)算的 10 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)，可以運(yùn)用優(yōu)秀的概念設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)措施來滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的， 彌補(bǔ)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與計(jì)算理論之間存在的某些缺陷或不可計(jì)算性。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 1 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)， 民用建筑設(shè)計(jì)通則 （GB 50352-2005） ，北京：中國建筑工 業(yè)出版社，2005。 2 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)， 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 （GB50016-2006） ，北京：中國建筑工 業(yè)出版社，2006。 3 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)， 高層民用建筑