结构概念设计与优化设计(新员工学习原版)

结构概念设计与优化设计结构概念设计与优化设计(新员工学习原版新员工学习原版)一.一.结构专业和建筑专业的关系结构专业和建筑专业的关系二.二.概念设计概念设计三.三.优化设计优化设计四.四.设计阶段的主要结构概念设计阶段的主要结构概念五.五.超限高层建筑工程抗震设防审查的技术要点超限高层建筑工程抗震设防审查的技术要点六.六.施工图阶段结构专业需明确的设计条件施工图阶段结构专业需明确的设计条件一、建筑专业和结构专业的关系一、建筑专业和结构专业的关系n技术的复杂性不断增大，在结构工程与建筑专业之间存在着技术共识的空白 n教学和现代信息的分离限制着建筑师和结构工程师之间创造性地互相配合的可能性n建筑空间形式与技术思路之间的不协调，增大以后的设计阶段出现较大矛盾的机会 基本建设工作程序 设计任务书技术设计阶段投资控制选址项目立项建议书竣工验收付诸施工过程施工图审查阶段施工图设计阶段初步设计阶段方案设计阶段可行性研究报告交付使用确定设计计划决算编制施工图预算修正概算编制概算造价估算基本建设工作程序和内容总负责结构工程师1.考虑相关物质的整体性、2.进行结构技术性能方面的工作：a.材料b.材料c.施工技术3.实现房屋设计a.与活动有关的3.使所有分体系相互配合形成一个完整c.象征性的b.物质的2.进行所有分体系空间形式及性能方面1.考虑有关空间和技术性能的所有要求建筑师强度和效能的要求的工作的环境设计总体构思总体建筑设计建筑师n设计思想着眼与总体，而不是个别因素n处理空间形式表现与三种相互关联的功能需求与使用活动有关的、物质的和象征性的需求结构工程师n教育的专门化模式导致他们向相反的方向考虑技术问题，常常由细部开始，而对总体方案缺乏足够的关心n将建筑物的多种性能组织在一起，满足这些要求，而且应该是最优化的组合 二、概念设计二、概念设计概念设计是展现先进设计思想的关键。结构工程师的主要任务：在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。随着社会分工的细化，大部分结构工程师只会依赖规范、设计手册、计算机程序做习惯性传统设计，缺乏创新，更不愿（不敢）创新，有的甚至拒绝对新技术、新工艺的采纳（害怕承担创新的责任）。现行的结构设计与计算理论存在许多缺陷或不可计算性。大部分工程师在一体化计算机结构程序设计全面应用的今天，对计算机结果明显不合理、甚至错误而不能及时发现。方案设计阶段不能借助于计算机来实现，这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价合理的结构方案，为此，需要工程师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。概念设计和数值设计 建筑结构设计按是否考虑地震作用分为：抗震设计和非抗震设计（静力设计）。错误的概念：认为做好数值设计，再辅助一定的构造措施，就可以保证建筑设计的质量。为什么要重视概念设计：至今，人们远没有充分认识地震对建筑的作用机理和破坏作用，而且预测地震也几乎不可能。结构抗震设计的首要问题：提高结构的总体抗震性能，注意结构的概念设计。对建筑布局和结构体系的合理选择在抗震设计中占首要地位。概念设计：根据地震震害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计强调建筑物总体方案和细部构造。例如：抗震设计要求“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”原因：“强柱弱梁”要求柱子不先于梁破坏，梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全。“强剪弱弯”要求避免发生剪切破坏，弯曲破坏是延性破坏，是有预兆的如开裂或下挠等，而剪切破坏是一种脆性的破坏，没有预兆的，瞬时发生，没有防范。“强节点弱构件”：增大节点核心区的组合剪力设计值进行计算。结构设计的基本原则 结构在使用期间承受各种荷载和作用。在规定的结构设计使用年限内、在规定的条件下结构应具有预定功能要求，概括起来包括:安全性、适用性、耐久性三个方面。结构的功能要求安全性 一、结构在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种荷载作用，防止建筑物的破坏；二、在设计限定的偶然事件发生时和发生后仍能保持必需的整体稳定性，结构仅发生局部的损坏而不至于发生连续倒塌；汶川大地震中倒塌的建筑物就不具备安全性要求！安全等级规定：根据建筑物的重要性，即结构破坏时可能产生的后果（危及人的生命、造成经济损失、产生社会影响等）的严重性，设计结构时应采用相应的安全等级。建筑安全等级划分为三级。设计中，安全等级用结构重要性系数 反映。安全等级破坏后果建筑物类型一级很严重重要的工业和民用建筑二级严重一般的工业和民用建筑三级不严重次要的建筑物建筑结构的安全等级适用性 结构在正常使用过程中，变形、裂缝或振动等均不超过规定的限度。满足正常使用要求。耐久性 结构在正常维护的条件下具有足够的耐久性能，即要求结构在规定的工作环境中，在预定时期内，在正常维护条件下结构能够使用到规定的设计使用年限。以上功能概括为结构的可靠性（规定的时间、条件下，完成规定功能的能力）。结构的极限状态 整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。极限状态实质上是区分结构可靠与失效的界限。极限状态分为两类：承载能力极限状态 正常使用极限状态安全性适用性、耐久性 通常对结构构件先按承载能力极限状态进行承载能力计算，然后根据使用要求按正常使用极限状态进行变形、裂缝宽度或抗裂等验算。建筑结构的设计状态 偶然状况 短暂状况 建筑结构设计时，应根据结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：持久状况在结构使用过程中一定出现，持续时间较长的状况，例如：房屋结构承受家具和正常人员荷载。在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计使用年限相比持续时间很短的状况。如：结构施工时承受堆料荷载的状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况。如：结构遭遇火灾、爆炸、撞击、罕遇地震。均应进行承载能力极限状态设计；对偶然状况，允许主要承重结构因出现设计规定的偶然事件而局部破坏，但其剩余部分具有在一段时间内不发生连续倒塌的可靠度；对持久状况，尚应进行正常使用极限状态设计；对短暂状况，可根据需要进行正常使用极限状态设计结构设计原则和方法 由于建筑在设计、施工、使用过程中，以及材料都存在着许多非确定性问题，必须采用概率极限状态设计方法。非确定性问题具体表现为：由于施工条件及质量控制等因素的影响，实际的结构尺寸及材料强度等均可能有不同程度的变异；所采用的计算简图和计算理论与实际情况有一定偏差；建成后结构承受的荷载及所处的环境都有一定的随机性，且是设计时无法确切预知的。承载力（强度）、刚度、延性为主导的概念设计承载力（强度）、刚度、延性为主导的概念设计 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，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。运用概念设计方法方法，可以在建筑设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择。所得方案往往概念清晰、定性正确，可以避免后期设计阶段出现大问题。结构设计的力学结构设计的力学刚度理论刚度理论 n规范遵照国家标准建筑结构可靠度设计统一标准（GBJ50068）所确定的原则，采用以概率理论为基础的极限状态设计法来进行结构设计 n可靠度包括建筑物的安全性、适用性和耐久性 n安全性包括两个结构的概念强度和刚度 n强度指结构或结构构件所承受的最大荷载，反映了材料的极限承载能力n刚度指结构或构件抵抗外力的变形能力。与建筑设计联系更直接刚度概念刚度概念在相同的力作用下，刚度大的结构（或构件）变形就小，而刚度小的结构（或构件）变形就大；或者，在相连的构件在一个共同作用力作用下，刚度大的构件产生的内力就大，而刚度小的结构产生的内力就小。建筑形式的选取和构件的布置直接影响最终建筑物的刚度结构中力的平衡、变形的协调以及由此产生的构件内力及变形通过自身的线刚度（由截面尺寸、结构体型、材料特性三方面确定）以及连接构件的相对刚度的大小来体现。抗震性能延性：延性：在初始强度没有明显退化情况下结构或构件的非弹性变形的能力。它包括两个方面的能力：（1）承受较大的非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力；（2）利用滞回特性吸收能量的能力。三种设计方案：（1）较高地震力较低延性方案:保证结构的承载力;（2）中等地震力中等延性方案；（3）较低地震力较高延性方案:保证结构的延性。我国的抗震设计采用的是方案（3），即采用明显小于设防烈度的小震地面运动加速度来确定结构的设计地震作用，并将它与其他荷载内力进行组合，进行截面设计，通过钢筋混凝土结构在屈服后的地震反应过程中形成较为有利的耗能机构，使结构主要的耗能部位具有良好的屈服后变形能力来实现“大震不倒”的目标。概念设计应实施多道防线、刚柔结合的基本理念概念设计应实施多道防线、刚柔结合的基本理念应将复杂的变成简单。将结构的受力与传力设计成简单、直接、明确，尽可能避免出现以抗扭为主导的关键性传力构件。应尽可能使结构平面布置的正交抗侧力刚心与风荷载作用中心或质心靠近，以避免或减少在风荷载或地震作用下产生的扭转效应及相应的破坏；沿建筑物竖向布置的抗侧力刚度构件宜均匀、连续，避免出现软弱层和层间位移角、内力及其传力路径的突变。如不可避免时，应有效协调上下层剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的平稳过渡。结构内部的各个构件相互配合，共同工作。这不仅要求结构构件在承载能力极限状态能共同受力，协同工作，同时达到极限状态，还要求他们能有共同的耐久寿命。结构的协同工作表现在基础与上部结构的关系上，必须视基础与上部结构为一个有机的整体，不能把两者割裂开来处理。举例而言，对砖混结构，必须依靠圈梁和构造柱将上部结构与基础连接成一个整体，而不能单纯依靠基础自身的刚度来抵御不均匀沉降，所有圈梁和构造柱的设置，都必须围绕这个中心。结构体系结构体系当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。应尽可能避免短柱，使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力。对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力。长、短梁与长短柱混杂的效果一样，在同一榀框架中并存，也是极为不利的，短跨梁在水平力的作用下，剪力很大，梁端正、负弯矩也很大，其配筋全部由水平力决定，竖向荷载基本不起作用，甚至于梁端正弯矩钢筋也会出现超筋现象，同时，由于梁的剪力增大，也会使支承柱的轴力大幅增大，这种设计是不符合协同工作原则的，同时，结构的造价必将会上升。因此，宜应对梁的跨高比进行限制。为有效的抵抗水平力作用，平面上两个正交方向的尺寸宜尽量接近，目的是保证这两个方向上的“惯性矩”相等，以防止一个方向强度（稳定性）储备太大，而另一个方向较弱，因此，抗侧力结构（柱、剪力墙）宜设置在四周，以增大整体的抗侧刚度及抗扭惯性矩，同时，应加大梁或楼层的刚度，使柱（或剪力墙）能承担较大的整体弯矩。扭转发生时，各柱节点水平位移不等，距扭转中心较远的角柱剪力很大，而中柱剪力较小，破坏由外向里，先外后里。为防止扭转，抗侧力结构应对称布置，宜设在结构两端，紧靠四周设置，以增大抗扭惯性矩。高层或超高层建筑中，尽管角柱轴压比较小，但其在抗扭过程中作用却很大（若角柱先坏，整个结构的扭转刚度或强度下降，中柱必定依次破坏），同时，在水平力的作用下，角柱轴力的变化幅度也会很大，这样势必要求角柱有较大的变形能力。由于角柱的上述作用，角柱设计时在承载力和变形能力上都应有较多考虑，如加大配箍，采用密排箍筋柱、钢管混凝土柱。应遵循能有效增大高层建筑抵抗侧向力和侧移的能力，尽可能增大抗侧力结构竖向分体系抗倾覆力臂的有效宽度，将抗倾覆的竖向构件布置在结构平面的最外边缘。使绝大部分的竖向荷载直接由最主要的抗倾覆构件来承担，使抗倾覆构件收到预压，从而减小倾覆引起的拉力，有助于房屋的稳定。在竖向结构分体系中，合理布置剪力墙或柱间支撑，可以有效抵抗楼层层间剪力。完全以抗弯为主的框架来抵抗水平剪力要耗费更多的材料和成本。材料利用率材料利用率材料利用率越高（即应力水平越高），该结构的协同工作程度也越高；结构设计的目的即是花最少的钱，做最好的建筑，这就要求设计时对结构材料的充分利用。这从梁类构件的演变可以看出。矩形截面梁是最普通的受弯构件，它的材料利用率很低。原因有二：一方面是靠近中和轴的材料应力水平低，另一方面是梁的弯矩沿梁长一般是变化的，这样对等截面梁来说，大部分区段，即使是拉、压边缘，其应力水平均较低。针对梁的这种受力特点，用结构概念分析，主要是梁截面存在应变梯度的原因。当构件是轴心受力时，材料利用率才可能增大，于是就出现了平面桁架，平面桁架可以理解成“掏空”的梁将梁中多余材料去除，既经济，又降低自重；故桁架的上弦相应于梁的受压边，下弦相应于受拉钢筋。规则桁架中腹杆的受力（拉、压）与梁中主拉、压应力方向一致。还可以将桁架的外形设计为与弯矩图相似的形状，从而使桁架的弦杆受力均匀。由于桁架中大量存在压杆，压杆的强度往往由其稳定性决定，而不是由杆件截面材料强度决定，因此，在平面桁架的设计过程中，应设法降低压杆的长细比。单纯增大截面是下策，特别是上弦杆，应努力增加其平面外的刚度（有时上弦采用双杆形成的复合压杆），提供平面外约束（增加支撑），如果把这些平面外的支撑再连接成桁架，这样就使平面桁架变为平面交叉桁架，最后发展为空间网架。空间网架的材料利用率高，应力水平高，故在大跨度、大空间结构中广泛使用，但网架结构中仍然存在压杆，压杆（特别是钢压杆）的应力水平不可能太高（因为随着跨度的增加，网架的高度增大，腹杆的长度将增大，同时节点距离的增大也导致弦杆长度的增大），这样高强材料就不能使用。因此，努力减少或消除结构中的压杆，就发展到了悬索结构。悬索结构中所有的“杆件”均为拉杆，这样就使悬索结构中杆件的应力水平极高，材料利用率极大，高强材料得以充分利用，还可施加预应力。因而在超大跨度的结构中，悬索结构（或包括悬索结构的组合结构）是首选的结构类型。混凝土基本理论的发展也体现了使各种材料充分发挥性能，并相互协同工作的特点：钢筋混凝土与预应力混凝土之间的区别在于钢筋混凝土是将混凝土与钢筋两者简单地结合在一起，并让它们自行地共同工作，预应力混凝土是将高强钢筋与高强混凝土能动地结合在一起，使两种材料均产生非常好的性能。目前广泛使用的钢-混凝土结构，是将钢结构与混凝土结构相互取长补短形成的一种新型的结构形式。尤其是钢管混凝土，与预应力混凝土相似，更将这两种材料能动地结合起来，实现了结构材料的又一次革命。从上述结构构件的演化，推而广之，在结构设计中，只有当构件越多处于轴心受力状态，其材料的利用率才可以高，经济性也就越好。在概念设计日益重要的今天，要求结构工程师应有深厚的基本理论基础，并能不断吸取他人先进的设计思想。对自己的作品、设计（即使是已建成的），应经常进行深刻的反思，对每一项设计都精益求精。三、优化设计，节省资源三、优化设计，节省资源优化设计不仅从本身概念出发提出了全新的经济设计理念，而且还要注重考虑施工的方便程度，考虑综合的效益。需要强调的是通过优化，使建筑更好用、更安全。概念设计是优化设计的一个部分。预先估计和分析结构的薄弱部位、破坏形态，调整承载力以加强或削弱某些部位；有意识设置构造措施，做到心中有数，那些部位可以屈服，那些部位不能屈服；通过截面设计实现；通过弹塑性计算校核，等等；充分利用结构材料的性能，在确保结构整体安全性不降低的前提下避免盲目浪费。影响用钢量的宏观因素：建筑物的体型（平面长度尺寸及长宽比、竖向高宽比、立面形状等）柱网尺寸、层高以及主要抗侧力构件所在位置等：平面长度尺寸：超长建筑由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力，它相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力，其单位面积用钢量相对较多。平面长宽比：平面长宽比较大的建筑物，不论其是否超长，由于两主轴方向的动力特性（也即整体刚度）相差甚远，在水平力（风力或地震）作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均。竖向高宽比：高宽比大的建筑其结构整体稳定性较差。为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移，势必要设置较刚强的抗侧力构件来提高结构的侧向刚度，这类构件的增多自然使得用钢量增多匀，使得其单位面积用钢量相对于平面长宽比接近的建筑物要多。立面形状：这是指竖向体型的规则性和均匀性，即外挑或内收程度以及竖向刚度有否突变等。如侧向刚度从下到上逐渐均匀变化，则其用钢量就较少，否则将增多，较典型的有竖向刚度突变的设转换层的高层建筑。平面形状：若平面较规则、凹凸少则用钢量就少，反之则较多。平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且还可衡量结构抗震性能的优劣，用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。柱网尺寸：包括柱网绝对尺寸及其疏密程度，它直接影响到楼盖梁板的结构布置。一般而言，柱网大的楼盖用钢量较多，反之虽则较少，但同时因柱数增多而使柱构件用钢量增加，其中柱端及梁柱节点区内加密箍筋的增加量几乎占全部增加量的50。柱网尺寸较均匀一致不仅使结构（包括柱和梁）受力合理，而且其用钢量要比柱网疏密不一的要节省。层高：跨层柱由于其受力的复杂性以及截面较大，用钢量一般比正常层高的柱要多；错层容易使交界处竖向构件形成短柱，抗震性能较差，在构造上需要加强，造成用钢量的增加。抗侧力构件位置：刚度中心与质量中心相重合或靠近，或者抗侧力构件所在位置能产生较大的抗扭刚度，结构的抗扭效应小，因而结构整体用钢量就少，反之则多。影响用钢量的微观因素：体现在结构工程师对结构设计的具体操作上，首先是结构布置，其次是构件的配筋构造。竖向构件布置：柱网大小和疏密，在建筑方案阶段确定；抗震墙的合理数量及合适位置在结构工种介入方案设计过程中确定。合理地确定墙柱截面。墙柱一般是压弯构件，其配筋量在多数情况下至少是多数部位都采用构造配筋，因此在其混凝土强度等级合理取值且满足轴压比要求的前提下，墙柱截面不宜过大，否则用钢量将随其截面增大而增加。柱截面种类不宜太多。数不多的若干根柱由于轴力大而需较大截面，合理经济的做法应是对个别柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以劲性钢筋以提高其轴压比，从而达到控制其截面尺寸的目的。利用竖向交通井道而形成的剪力墙筒体，其外围墙体对结构刚度的贡献最大，而内部墙体则贡献甚微。在满足结构整体刚度的前提下，筒体内部的剪力墙不宜过多过厚和过于零碎，否则会增加该部位墙体用钢量且对结构无大作用。从施工角度看，剪力墙形成的筒体越是完整划一，施工就越方便。从受力角度看，筒体内部隔墙若设梁支承于筒体外围墙上，从而增大外围墙的轴力避免受拉对其受力反而有利，尤其是内筒的角部处。水平构件布置：其布置原则首先是受力传力合理，其次是使用效果（包括视觉效果）良好，最后才是用钢量的节省，设计中不能本末倒置。当采用高强钢筋时，应使板的配筋由内力控制而非按构造配筋，否则将得不偿失。当板跨小、布梁多时肯定用钢量会增多，而且可能使楼面荷载多次传递，造成受力不合理。以竖向交通井道形成的筒体，采用桩基础一般都形成多桩承台。布桩时尽量使桩处于墙体下，这时承台避免受剪甚至能抗弯，其厚度可较小，采用构造配筋率配筋则其配筋量就较少。承台混凝土满足抗剪抗冲切后，承台配筋就可采用低配筋率而不应也没必要提高配筋率。大跨度板采用普通混凝土平板，即使施加了预应力，其用钢量都会较多，其主要原因是板的跨度和自重均较大。大跨度往往由使用功能决定而无法改变，要节省用钢量，只能往“自重”上考虑，即改变楼板的结构形式。采用现浇双向空心楼板、加轻质填充块的双向密肋楼板，都是可以考虑的途径。构件的配筋构造设计技巧：柱：通过混凝土强度等级的合理确定来控制其截面尺寸和轴压比，使绝大部分柱段都是构造配筋而非内力控制配筋；柱箍筋的体积配筋率，采用高强度钢筋比低强度钢筋更可节省用钢量。结构顶层边柱尤其是抽掉中柱的大跨度边柱，往往是大偏心受压，其主筋配筋量由内力控制且都较大，通常采用改变柱竖向形状的方法，如加腋。如改变后仍难以承受其所承担的弯矩，有时干脆可将梁柱顶节点设计成简支。梁：配筋大多由内力控制。混凝土强度等级不宜过高，可降低梁的最小配筋（箍）率；采用高强度钢筋，有利于作为受弯构件的梁的抗裂性能。对截面宽度较小的梁，当配筋量较大时往往需要放23排钢筋，无疑将减小梁的有效高度，因此当不影响使用或建筑空间观感时，梁宽宜略为放大，尽量布置成单排主筋。跨度较大的悬臂梁，不论其承受的是均布荷载还是梁端集中荷载，其弯矩内力都是急剧下降的，因此当面筋较多时，除角筋需伸至梁端外，其余尤其是二排钢筋均可在跨中切断，既节省钢筋又方便施工。梁承受集中荷载处要配置附加横向钢筋（加密箍筋及吊筋）。正常结构布置的楼层梁，每一处集中荷载一般都不太大。在通常情况下，仅在梁侧配置加密箍筋已经足够，若再加配吊筋则已能承受更大的集中荷载。但设计中盲目加大吊筋直径，既没必要又会造成钢材的浪费。楼板：宜将板跨增大至使其配筋为内力控制而非构造配筋，采用高强钢筋能达到节省用钢量的目的。对于大跨度双向板，由于板底不同位置的内力存在差异，不宜以最大内力处的配筋贯通整跨和整宽。为了节省用钢量，一般应分板带配筋；当板面需要采用贯通面筋时，贯通筋的配筋通常不需也不宜超过规定的最小配筋率，支座不足够时再配以短筋，这样既符合规范规定又可节省用钢量。抗震墙：随意扩大抗震墙的加强部位会增加用钢量。合理地布置抗震墙、截面合理取值，其配筋多半是构造配筋，其节点区主筋、箍筋以及墙段的水平分布筋的配筋率都可按规范规定的最小配筋率配置。另外，抗震墙约束边缘构件中的箍筋配筋量与钢筋的抗拉强度有关，宜采用高强钢筋。抗震墙中的墙段竖向分布筋通常都不是由内力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墙面出现水平收缩裂缝，仅需满足最小配筋率，不必随意提高其配筋量。目前建筑市场一般建筑主要材料用量指标和价格信息目前建筑市场一般建筑主要材料用量指标和价格信息一、广州地区一般钢筋混凝土结构钢筋含量指标（Kg/m2）层数6度区（六级人防）7度区（五级人防）32层6581759518层5570658011层456555706层45555065地下室180250250350二、广州地区地下室、裙楼、塔楼钢筋、商品混凝土含量指标名称钢筋含量指标（Kg/m2）折算厚度混凝土（cm/m2）地下室210150裙楼7045住宅、办公楼塔楼6540三、广州地区近期主要材料价格信息材料名称型号材料价格备注钢筋5300元/t市场信息价无缝钢管20#6100元/t均价高频焊管Q2354100元/t均价，且为小管高频焊管Q2354800元/t均价，且为大管角钢综合45005000元/t市场信息价简单钢结构制作（例如网架结构）800元/t市场信息价一般钢结构制作（例如门式钢架轻型方钢结构）12001500元/t钢结构安装简单1000元/t市场信息价一般12001500元/t复杂2000元/t材料名称型号材料价格备注钢结构防腐费一般60100元/t市场信息价高级120150元/t钢结构防火涂料费薄型400500元/t市场信息价厚型60100元/t锚索1X75预应力锚索7080元/m施工成本价2X75预应力锚索90100元/m3X75预应力锚索110120元/m锚索拨出回收费用35元/m土钉255055元/m施工成本价土方珠江新城2625元/m3施工成本价天河2829元/m3市区3032元/m3中风化5358元/m3搅拌桩50036元/m施工成本价管桩40075（115）元/m材料出厂价（包工包料）50090（160）元/m管桩400108110元/m施工成本价，不包税费和进退场费500120130元/m（一）把方案阶段的建筑形式看作总结构体系（一）把方案阶段的建筑形式看作总结构体系n结构和建筑知识的结合，利用结构性能、强度和功效的知识分析初步的房屋形式 n假定整个形式作为一个整体，考虑一些简单的，但对于荷载抗力关系又是重要的物理特征：刚度，竖向和水平方向的稳定，扭转，平面布置的规则性、对称性等等n清楚荷载与建筑形式的关系，从平面图上可以预见结构受力的合理程度 四、在设计阶段的主要结构概念四、在设计阶段的主要结构概念1.在现代建筑结构设计中，结构体系的演变体现了在现代建筑结构设计中，结构体系的演变体现了对结构刚度的要求对结构刚度的要求n随着结构层数越来越多、承受的风荷载越大、地震反应更强烈，对结构的整体刚度的要求就越高，需要整体整体刚度越来越大的结构体系 522 2长宽比、高宽比的限值体现高层建筑对结构宏长宽比、高宽比的限值体现高层建筑对结构宏观刚度的要求观刚度的要求 n高层建筑对结构单元平面的长宽比例A/B，竖向的高宽比H/B有所限制，是对结构整体刚度的宏观控制（包括整体刚度的大小以及整体刚度的均衡），以求在建筑设计方案阶段所构思的建筑雏形为日后的结构设计提供可行的大前提，并为可能取得合理效果创造条件 54结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度、7度8度9度框架、板柱剪力墙5432框架剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架核心筒6654A A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比3连体高层建筑的产生实质是结构对整体刚度连体高层建筑的产生实质是结构对整体刚度的需要的需要 n借助于两座塔楼之间的某部分连接，使“孤单”的单塔互相傍靠而形成刚度很大的一个整体，因而产生了连体高层建筑 连体建筑连体建筑574 4剪力墙的不同分布产生了不同的抗扭整体刚度剪力墙的不同分布产生了不同的抗扭整体刚度 n假设抵抗剪力的分布是随柱和剪力墙的布置而变化，结构平面布置是否合理，对结构承受能力有很直接的影响n对于特别需要增强抗扭刚度和抗倾覆能力的高层建筑，将剪力墙周边布置即可显著地达到目的 5结构转换层上下之刚度比体现对结构竖向刚度结构转换层上下之刚度比体现对结构竖向刚度均匀变化的要求均匀变化的要求 n高层建筑混凝土结构技术规程对于底层大空间剪力墙结构（即设置结构转换层）的上下层刚度比的规定（宜接近1，非抗震设计时不应大于3，需要抗震设防时不应大于2）实际上体现对结构竖向刚度变化力求均匀、不突变或少突变的要求，以保证结构的变形是连续的，避免转换层以下刚度太弱，过早出现屈服而遭受地震破坏 6.6.高层结构设计需要控制的六个比值高层结构设计需要控制的六个比值1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6；2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5。按新规范要求，当地震力不满足楼层最小剪力系数时，应对结构方案的合理性进行判断，并调整方案，或由程序自动把基底剪力提高；3、刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，见抗规3.4.2；4、位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。见抗规3.4.2条;5、周期比：控制结构在大震时，扭转振型不应靠前，以减少震害；主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求见高规。对周期比不满足要求的结构，应增加结构外部的刚度如：在角部加剪力墙等；6、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高规。（二）结构专业对高层民用建筑的宏观要求（二）结构专业对高层民用建筑的宏观要求n国家对工程建设质量及安全度控制越来越严，建筑的审查也越来越严格，对于超限、超规范的建筑，审批手续也越来越严格 n在进行项目控制和组织设计时应具备概念设计的能力，必须具备结构的受力概念和抗震概念 1.1.结构体系的选择结构体系的选择n常用的多层及高层建筑钢筋混凝土结构体系主要有：框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构和板柱剪力墙 n各种建筑在构思时候必须首先考虑建筑的高度和高宽比 钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度7度8度9度框架7060554525框架剪力墙14013012010050剪力墙全部落地剪力墙15014012010060部分框支剪力墙13012010080不应采用筒体框架核心筒16015013010070筒中筒20018015012080板柱剪力墙70403530不应采用A级钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比结构体系非抗震设计抗震设防烈度6度、7度8度9度框架、板柱剪力墙5432框架剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架核心筒6654建筑的结构布置原则建筑的结构布置原则（1）控制结构的侧向变形；（2）注重结构的平面布置；（3）注重结构的竖向布置；（4）选用合理的楼盖体系；（5）合理进行缝的设置和构造；（6）有目的地考虑温度作用并采取适当对策；高层建筑结构的各类结构体系的布置（1）框架；（2）剪力墙结构;（3）框架-剪力墙；（4）筒体结构框架结构n建筑平面布置灵活，具有良好较好的延性，抗震性能好，但其整体侧向刚度小，水平位移较大。框架高度不超过50m。67剪力墙结构n刚度大，空间整体性好，在水平力作用下侧向变形小。n平面布置不灵活，结构自重较大，相应地震反应也较强烈。n高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙（墙肢长度/墙厚58）框架剪力墙结构n既具有框架结构布置灵活，使用方便的特点，又有较大的刚度和较好的抗震性能。n目前高层建筑中应用最为广泛的结构型式 筒体结构n主要包括：框架核心筒结构，筒中筒结构和多筒体结构 n具有很好的空间作用，更大的抗侧力刚度和强度n在结构高宽比大于3的时候，才能充分发挥外筒的作用，因此不宜用于高度低于60m的建筑 2.2.抗震性能对结构体系和建筑体型的基本要求抗震性能对结构体系和建筑体型的基本要求n在一个独立结构单元内，平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位；避免在凹角和端部设置楼、电梯间；避免楼、电梯间偏置以免产生扭转的影响 n竖向体型尽量避免外挑，内收也不宜过多、过急，力求刚度均匀、渐变，避免产生变形集中n结构的承载力、变形能力和刚度要均匀连续变化，以适应地震反应要求 n体型复杂、平里面不规则结构，可在适当位置设置防震缝。设缝必须保证足够的缝宽n减轻自重，最大限度降低地震的作用 3.3.建筑平面布置建筑平面布置n平面布置应尽量简单、规则对称，减少平面的偏心和结构的扭转 n平面突出部分长度要满足规范限值的要求 建筑平面建筑平面73L、l的限值设防烈度L/Bl/Bmaxl/b6，7度6.00.350.28，9度5.00.301.54.4.建筑竖向布置建筑竖向布置n建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范第第3.4.13.4.1条规定：建筑设计应条规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案设计方案 n1建筑的竖向构件布置要做到均匀而连续，避免出现突变，避免出现薄弱层。n2采用形状简单的立面，避免采用楼层平面尺寸存在剧烈变化的阶梯形立面。n3.抗震设计时，结构上部楼层收进的水平尺寸与下部楼层水平尺寸、上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平与上部楼层水平尺寸的比例须满足规范要求。n4.高层建筑宜设地下室。75n5.高规规定：在9度区抗震设计中部不应采用带转换层的结构、带加强层的结构、错层结构和连体结构（强条）。7度和8度区抗震设计的高层不宜同时采用超过上述两种体系的复杂高层。n6.底部大空间部分框支剪力墙高层建筑结构在地面以上的大空间层数，8度时不宜超过3层，7度时不宜超过5层，6层时其层数可适当增加。n转换层周围楼板不应错层布置；落地剪力墙和筒体的洞口宜布置在墙体的中部，转换梁上一层墙体内不宜设边门洞。n当框架核心筒结构的侧向刚度不能满足设计要求时，可沿竖向利用建筑避难层、设备层空间，设置适宜刚度的水平伸臂构件，构成带加强层的高层建筑结构。n对于高层建筑，基础应该有一定的埋深，这是抗倾覆的要求决定的。埋置深度可从室外地坪算至基础底面 天然地基或复合地基，取房屋高度的1/15；对于桩基础，可取房屋高度的1/18。78795.5.变形缝的设置变形缝的设置n温度缝防止应温度变化和混凝土收缩可能产生裂缝而设置；n沉降缝为解决不同部位产生不同沉降而设置n防震缝抗震结构为了因层数、质量、刚度差异过大产生不同位移而设置设缝原则n沉降缝能不设就不设，各部分单元的沉降差可以通过调整方法来解决 n对于体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，宜按照实际需要在适当的位置设置防震缝，形成多个角规则的抗侧力结构单元 n结构的防震缝应在地面上沿建筑物全高设置，基础、地下室甚至地面以上若干层的大裙房（大底盘）通常不设防震缝，n对于防震缝，凡是设缝就要设得彻底，凡是不分缝就要连接牢固。81分缝位置示例82五、超限高层建筑工程五、超限高层建筑工程抗震设防审查的技术要点抗震设防审查的技术要点超限高层建筑类别超限高层建筑类别n房屋高度超过规定。n房屋高度不超过规定，但建筑结构布置属于特别不规则的高层建筑工程。同时具有两项以上平面、竖向不规则以及某项不规则程度超过规定很多的建筑（带转换层、带加强层和具有错层、连体、多塔）；平面布置明显不规则的复杂结构和混合结构的高层建筑 高位转换；各部分建筑、结构布置或刚度等有较大不同的错层、连体高层建筑；单塔或大小不等的多塔位置偏置过多的大底盘（裙房）高层建筑；七、八度抗震设防时厚板转换的高层建筑。n单跨的框架结构的高层建筑。平面不规则类型不规则类型定 义扭转不规则楼层最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍凹凸不规则结构平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽的50，或开洞面积大于该层楼面面积的30，或较大的楼层错层平面不规则类型不规则类型定 义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的8086六、施工图阶段结构专业需明确的设计条件六、施工图阶段结构专业需明确的设计条件n0.000相对海拔标高、室内外标高、室外是否要填土（涉及到基坑开完深度，地下露天顶板的标高和荷重计算）；n2楼面结构标高与建筑标高的关系（建筑面层荷重）；n3使用功能详细分布、楼层空洞位置及尺寸（决定楼层结构标高）；n4设备用房位置、设备外型尺寸（确定楼面荷载及设备吊装井尺寸）；n5楼梯编号及其定位尺寸（梯板长宽度以确定楼梯的结构型式）；n6电梯坑深度、消防梯集水坑位置及深度（设计基础或承台型式）；n7自动扶梯平面位置、长度、宽度、起始梯坑平面尺寸及深度（决定其支承条件和衡量楼面净高尺寸）；n8地下室斜车道坡长，车道入口部高度（决定坡道的支承条件，出入口是否需要做反梁）；n9楼面厕所型式（决定下凹深度或是否要设双层楼板）；n10大厨房地面做法（决定结构层降低或采用建筑找平垫高）；n11屋面坡度做法（采用结构找坡或是建筑找坡）；n12屋面水池平面位置及尺寸（确定合理的支承条件）；n13天棚吊顶做法（全部吊顶或局部吊顶或不吊顶需做平板结构）；14外墙门窗扣尺寸及立面做法（确定外围梁高及窗框做法）；15外墙饰面材料（确定围护结构材料品种）；16室内隔墙布置情况（固定的或是灵活隔断以决定楼面等效荷载）；17设备管道穿行型式（是否需要横穿楼层梁或剪力墙）；18地下室防水做法（防水层材料类别），地下室底板集水坑位置及尺寸；19电梯门旁或门顶指示灯设置位置及尺寸（决定剪力墙预留孔洞）。89结束语结束语 n混凝土并非弹性均质材料，其受力理论并不十分明确。试图寻求“百分之百的计算精确度”，无疑是在浪费时间和金钱。美国G.P.Manningn应用现代高效能计算机，是能对复杂的结构做出可靠的分析，但更需要运用正确的判断力。尤其是当我们把结构开拓成综合型、新材料和更大跨度的时候。美国林同炎n结构设计是一门艺术，没有唯一解。只有不断地探索去寻求相对的最佳，而无绝对的最佳最优。英国Over Arup谢谢！祝大家成祝大家成为规范的主宰者范的主宰者结构构设计的的创新者而不是新者而不是规范的奴隶！范的奴隶！结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！92