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某住宅工程结构优化设计
【摘 要】 建筑高宽比过大会影响建筑整体的刚度.为满足对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制,对结构进行优化设计：对于刚度贡献大的外墙,在满足建筑立面的要求下,利用连梁的高度,适当加大剪力墙厚度,以有效加强房屋的扭转刚度；对于刚度贡献小的内墙,可以在规范允许的条件下适当减薄和缩短,不仅提高结构的经济性,也有利于房间的使用率及建筑布局的灵活性；对于某些连肢墙,在建筑无开洞要求下,取消结构洞口,能有效提高刚度；在荷载取值方面,应尽可能地减轻结构自重,特别是地暖的面层重量,建议根据实际的做法细化,避免不必要的浪费.
【关键词】高宽比 ；整体稳定；结构刚度；扭转刚度；地暖
【Abstract】 It will affect the overall stiffness of the building if the height-to-width ratio of the building is toolarge. In order to meet the macroscopic control of structural stiffness, overall stability, bearing capacity and economicrationality, the structure was optimized: For the external wall with large contribution to the stiffness, on the premiseof meeting the requirements of the building fa?ade, the height of the coupling beam and larger shear wall thicknessare used to effectively strengthen the torsional stiffness of the building; for internal walls with all contributionto stiffness, they can be appropriately thinned and shortened under the conditions allowed by the specification,which not only improves the economic rationality of the structure, but also facilitates the utility rate of the room andimproves the flexibility of the building layout; for certain coupled shear walls, the structural hole can be cancelled toeffectively improve the stiffness when the building is not required to open holes; in terms of load value, the structuralweight should be reduced as much as possible, especially the weight of floor heating layer, it is recommended torefine according to the actual practice to oid unnecessary waste.
【Keywords】 height-to-width ratio, overall stability, structural stiffness, torsional stiffness, floor heating
1 工程概况
上海宝山新城38# 单体为一幢30 层的典型住宅建筑,建筑高94.5m,长28.5m,宽12.9m,层高3.15m,有1层地下室,其结构体系为现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系.在结构的平面布置上,基本符合简单、规则的原则,在结构的竖向布置上,没有外挑和内收,结构刚度沿竖向没有突变（图1、2）.
为更好地满足建筑在使用上的需求,建筑设计考虑各户型南北通风,故整个建筑物在厚度方面较小,在形体上较薄,同时又要满足建筑物的高度要求.对于结构设计而言,建筑的高宽比数值较大,就要采取相应措施以增强建筑结构的整体刚度.本单体建筑的高宽比为 7.75,超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（GB 50011—2010）第3.3.2 条规定的“对于该结构体系适用的最大高宽比为6”.高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制.在结构设计满足承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后,仅从结构安全角度讲,高宽比并非一定要满足,但会影响工程的经济效益.因此,本建筑的高宽比在一定程度上降低了结构单体的经济性.
2 原结构整体计算模型的复核
2.1 原整体结构计算模型
原结构设计考虑地暖面层厚130mm,标准层恒荷载为2.7kN/m2,活荷载为2.0kN/m2；结构楼板板厚120mm,剪力墙混凝土强度等级C55 ～ C30,梁板混凝土强度等级C30.其结构整体计算模型如图3 所示.
2.2 原整体结构计算结果
根据计算结果（表1 ～ 4）,原结构整体计算模型的设计参数没有错漏,取值在合理范围；且结构的平面布置（图4）和荷载取值也均与建筑设计吻合,计算结果均满足规范的各项要求,说明原结构可行.但是,本单体结构剪力墙基本厚度为：① 15 层以下（含15 层）外墙厚度以350mm 为主,局部为400mm,内墙一般为300mm；② 15 层以上外墙以250mm 为主, 局部为300mm,内墙一般为250mm；③楼梯间墙厚度为250mm、200mm 两种.相比其他同高度的普通建筑物而言,局部结构混凝土墙板厚度相对较厚,对于建筑本身的使用有所不利.结构设计需要考虑能否对混凝土墙体进一步的优化.
3 结构设计的优化调整过程
对原模型复查无误后,对本单体的结构优化调整分成以下几个步骤进行.
3.1 步骤一：细化荷载
考虑减轻结构自重,对地暖面层的荷载取值进行细化分析.本单体建筑所提出的地暖面层厚130mm、荷载2.7kN/m2 取值是全部按照水泥砂浆来定的,实际做法中,可以考虑有一半左右的厚度为轻质绝热层,因此,该荷载通过细化可修改为1.7kN/m2.
3.2 步骤二：调整墙体
对于建筑提出的立面要求,结构尽量给予满足,首先对影响南立面景观窗的短墙,按建筑要求的楼层给予取消.对于其他墙体,则根据轴压比、刚度效果,并结合建筑的功能布置分步进行修改.（1）外墙：在低区刚度比较富裕的情况下,给予减薄.
在高区保留原厚度.
（2）内墙：对于刚度贡献小的内墙,尽可能减薄和缩短,提高建筑的利用率和灵活性.针对一些无效的墙间开洞,给予取消,以提高墙的刚度.
3.3 步骤三：调整结构模型计算
3.3.1 减轻结构自重后整体结构的计算结果地暖面层局部采用轻质绝热体（图5）,以减轻结构自重,将原结构附加恒荷载2.7kN/m2 修改调整为1.7kN/m2,并将底部剪力墙的混凝土等级由C55 改为C50.调整后的整体结构计算结果见表5 ～ 7.
3.3.2 修改建筑景观窗并调整部分墙肢厚度及长度
（1）标准层荷载：板厚120mm,附加恒载1.7kN/m2,活载2.0kN/m2.
（2）15 层以下：外墙厚度修改为350mm、300mm（原为400mm、350mm）；内墙厚度修改为250mm、200mm（原为300mm）.
（3）15层以上：外墙厚度修改为300mm、250mm（原为300mm,250mm）；内墙厚度修改墙为200mm（原为250mm）.
（4） 混凝土强度等级： 现浇混凝土墙板为C50 ～ 0（原为C55 ～ C30）；梁板为C35（原为C30）.
修改调整后的整体结构计算结果见表8 ～ 10,且主要结构平面布置见图6 ～ 8.
根据图9 的y 方向最大层间位移角曲线,可以看出,变形较大楼层在20 ～ 26 层左右位置.经结构优化调整后,变形值略微偏大一点,但结构位移值仍然能满足规范设计要求.
4 混凝土用量统计分析
根据表11 混凝土用量统计可知：优化结构后,梁混凝土用量比原模型多86m3；墙比原模型减少338m3,为原来的88%；总体混凝土用量减少252m3.可见,对于高宽比较大,超过一般规范数值时,考虑到结构设计的经济合理性,采取一定的技术措施是可靠有效的.通过减轻结构本身的自重,对减少整体地震力起了较大作用.通过优化局部剪力墙的厚度及长度,优化建筑的局部布局,调整局部连梁高度,满足了建筑对使用上的需求,更有利于建筑对房间使用率的要求,结构设计也更加趋于合理,同时也提高了结构的经济性,避免了不必要的浪费.
5 结语
综上所述,对于本工程,如有条件,可先通过建筑设计的平面调整降低房屋的高宽比,从源头上提高结构的经济性.对于刚度贡献大的外墙,在满足建筑立面的要求下,可以利用连梁的高度,适当做厚以有效加强房屋的扭转刚度；对于刚度贡献小的内墙,可以在规范的允许下适当减薄和缩短,不仅提高结构的经济性,也有利于房间的使用率及布局的灵活性；对于某些连肢墙,在建筑无开洞要求下,取消结构洞口,能有效提高刚度.在荷载取值方面,特别是地暖的面层,建议根据实际的做法细化,避免不必要的浪费.
工程结构论文范文结:
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