第一篇：建筑结构设计改造
1结构加固设计改造原理
1．1加固结构的受力特性同普通的未加固结构相比，加固结构具有不同的受力特性。(1)加固结构通常为二次组合结构，其新旧结构间存在协调工作一致受力的问题。接触面的施工处理与构造做法是保证新旧结构协调工作的重点。通常接触面的混凝土强度会比混凝土本身的强度要低，所以在总体承载力方面二次组合结构的强度应低于一次整浇结构。(2)加固结构通常为二次受力结构，在结构加固前原结构已经接受第一次受力，特别是对于承载力较低的结构进行加固时其应变水平与截面应力都会较高。而新加结构部分只有在二次荷载的作用下才会受力。此时，整体加固结构的新加应力与应变都要比原结构的累加应力与应变滞后，当原结构的受力超出设定值时，新加结构的应力可能还比较低。在原结构出现破坏时新结构可能还未超出设定极限强度。［1］1．2新旧结构的协同工作在加固结构受力的过程中，特别是结构面临破坏的情况下，新旧结构的接触面会产生剪、拉、弯、压等各种应力，尤其会受到较大的偏压构件或受弯构件的剪应力。接触面对于应力的有效传递及承担是保证新旧结构协调工作的关键。接触面的应力传递通常问题不大，主要在于拉力与剪力。通常由于结构离散型及粘结强度的影响，接触面的抗拉性能与粘结抗剪性能经常不能满足受拉及受剪承载力的要求，如在柱、梁位置的混凝土加固，应安置足够数量的贯通接触面的剪切－摩擦筋，运用钢筋形成的被动剪切－摩擦力来限制接触面受到的拉力与剪力。混凝土加固结构的接触面的受剪承载力可通过以下公式进行计算:ζ≤fv+0．56ρsvfy其中ζ表示接触面的剪应力设计值;fv表示接触面混凝土的抗剪强度设计值;ρsv表示贯通接触面的剪切－摩擦配筋率;fy表示剪切－摩擦筋抗拉强度设计值。在实际设计中，加固结构的承载力可以使用截面组合系数进行分析。按照部分试验研究发现，截面组合系数主要与施工处理剂接触面构造过程有关。若对接触面进行涂刷胶纸界面剂或进行凿毛清洁处理，并保证贯通接触面的剪切－摩擦筋数量足够，或采用封闭钢筋混凝土围套对构件四周进行加固时，截面组合系数通常取为1．0，而当接触面为油污浸渍表面或表面非封闭光滑时其截面组合系数通常在0．8～0．9的范围内取值。［2］
2民用建筑结构加固设计改造的具体方法
2．1钢结构加固(1)裂隙加固与修复处理。在结构的正常使用中，由于材料制造、构造、选择、施工不当及荷载重复等的影响会导致结构出现脆断倾向或扩展性的裂隙损伤，对此应采取有效措施进行加固修复处理。在修复前应先检测鉴定裂隙原因及危害程度，根据裂隙类型采取相应的改善加固处理措施，若部分构件无法进行加固修复，则应及时拆除更换。(2)钢结构与加固件的连接。钢结构应采用高强度螺栓、普通螺栓、铆钉或焊缝等方法等进行连接，且在加固连接前应先对结构的受力状况、加固原因、施工条件、构造、原有结构连接方法进行分析;钢结构加固通常选用摩擦型高强度螺栓、焊缝等方式进行连接，在加固条件充分满足的情况下还可以采用两种方式的混合连接。(3)改变结构计算图形。改变结构计算图形的加固方法是指根据节点性质、荷载分布、边界条件、传力途径等状况，采用安设支撑和附加杆件、注重空间协调工作、施加预应力等方式对结构进行加固处理的方法。①采用改变杆件内力的方式对桁架进行加固，可以采取增设预应力拉杆或利用撑杆将桁架转化为撑杆式结构;②采用改变截面内力的方式对受弯杆件进行加固，主要措施有将结构转换为撑杆式结构;使荷载分布改变，如将集中载荷变为多集中载荷;增加预应力;对连续结构的支座位置进行调整;改善端部支承状况，如将铰接代替刚结;把简支结构端部转换成连续结构或使用中间支座;③采用增设构件或提高刚度的方法对钢结构进行加固，具体措施有将张紧适度的拉索或拉杆安置在塔架等结构中;安装辅助构件或职称以降低结构的长细比、提高结构稳定性;为形成空间结构增设支撑并对空间结构进行验算;在排架结构中对某部分柱体进行重点坚强，使大量的水平力都转移到加强柱上来，以降低其他柱体的负荷。2．2砌体结构加固(1)间接加固法:①结构构造性修复与加固。具体措施有:对于大量部分砌体出现局部压碎或墙体发生局部竖直裂隙时可采用梁垫进行加固;对于纵横墙存在明显的交接缺陷、圈梁设置不合理或房屋整体稳定性较低的可以采用圈梁进行加固;②采用预应力撑杆加固法，此种方法能够有效改善砌体柱的承载性能，提高可靠地加固效果，对于处于高应力及高应变状态的砌体结构加固具有良好的适用性;然而对于高于60℃以上的施工环境不宜采用此种方法。(2)直接加固法:①扶壁柱加固，此种方法属于增大截面加固方法，其具有适应性高、施工简便、结构承载性高等优点，其主要缺点是难以满足抗震要求，在非地震区域的结构加固中比较常用;②钢筋混凝土外加层加固法，此种方法属于复合截面的加固方法。对于带壁墙、柱等结构的加固具有良好的适用性，其砌体加固完成后的承载力提高较快，适应性较强;主要缺点是湿作业量较大，作业时间较长，且加固完成后的建筑物的净空会降低。2．3混凝土结构加固(1)粘贴纤维复合材加固。将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂预浸成为复合增强材料(单向连续纤维);用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与原有钢筋混凝土共同受力增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。碳纤维加固法可用于混凝土结构抗弯、抗剪加固，同时广泛用于各类工业与民用建筑物、构造物的防震、防裂、防腐的补强。(2)有粘结外包型刚加固。外包钢加固是指利用钢板或型钢将被加固构件进行封闭包裹;外包钢加固钢筋混凝土梁则通常将环氧树脂化灌浆法将型钢与被加固构件完全粘结成整体。构件加固处理后，有效改善了受压和受拉刚截面面积，增强了正截面刚度与承载力。
3结束语
结构加固设计改造的质量将直接关系着民用建筑的整体质量与使用寿命，因此，相关技术与设计人员应加强有关民用建筑结构加固设计改造的研究，总结结构加固处理方法及要点，以逐步改善建筑结构加固水平和质量。
作者：陈娟 单位：海南京创国际建筑设计研究有限公司海口分公司
第二篇：建筑结构设计有效方法
1建筑结构设计中潜在的安全问题
1．1不科学的建筑结构材料选择建筑结构材料的选择对于建筑结构的安全设计至关重要，应该参照建筑物结构设计的具体需求优选适合的材料，然而，现阶段的很多建筑单位却忽略了这一点，单纯为了获得更多利益而控制成本，没能切实根据施工具体规则、建筑结构安全标准等等来优选材料，导致建筑结构安全度无法保障，同时，当前的一些建筑企业项目外包给小型工程队伍的现象十分普遍，这些小工程队施工技术与施工工艺落后，人员的专业水平低，甚至出现偷工减料的现象，在没有优质的施工材料与施工队伍的有效支撑下，建筑结构设计的安全性难以确保。1．2设计人员的素质与能力有待提升以安全为核心的建筑结构设计需要一批合格的设计人才队伍的支持，这些设计人员不仅需要掌握高超、精炼的专业技能，同时也应该具备积极的安全意识，然而，从当前的建筑设计行业来看，很多设计人员的素质、能力和水平都没能达到合格标准，这些从业人员由于缺少经验、技术水平有待提升、责任意识亟待强化，这些问题都导致了建筑结构设计安全度较低，没能将结构安全设计纳入正式的考虑范围，而且一些设计工作人员唯利是图，单纯从自身利益收益的角度出发，却忽视了建筑结构的牢固度，最后造成建筑结构不稳定，甚至出现严重的事故问题。
2建筑结构安全设计的有效方法
2．1强化建筑设计行业的安全意识建筑设计行业首先应该形成一种强烈的安全意识，建筑设计单位以及设计工作者要从内心深处形成一种安全责任意识，形成以安全为核心的建筑结构设计，将结构设计视作一项系统性工作，扎实掌握其所需的科学理论，善于利用创新想法，树立严肃负责的工作态度。建筑结构设计工作者必须全面提升自身的专业技术水平，将抗震理念纳入建筑结构安全设计工作中，不断改革更新自身工作思想，积极发挥自身在建筑结构安全设计中的作用，灵活利用自己所掌握的知识结构体系，发挥自身才能，以此来确保建筑结构设计的安全等级。2．2多层框架建筑结构的安全设计(1)独立基础设计荷载取值。一般来说，多层框架建筑多数依靠柱下独立基础的形势，事实上从抗震的角度来讲，当地基的重要持力层缺少软弱粘土覆盖，且建筑物层数≦8，高度≧25m时，其地基的抗震承载力能够被忽略不计，但是，值得注意的是需要将风荷载视作重点考虑因素，因为这关系到普通民用建筑的抗震能力。同时，在设计独立基础时，要对柱脚内力设计进行科学取值，不仅要对轴力、弯曲的设计进行科学取值，同时也要将剪力因素考虑在内。(2)关于井筒电梯的科学设置。小井筒能够吸收一定程度的地震剪力，从而降低多层框架建筑有效抵抗地震剪力的能力，而且，要尽量不选择钢筋混凝土电梯井筒，因为钢筋混凝土井筒的设置会更加影响多层框架的抗震能力，当没有其他条件可供选择时，可以适度地削减井筒壁的厚度，或者采用竖缝、结构洞等模式来控制井筒的强度和刚度，具体计算过程中，不仅要根据框架进行计算，同时也要将井筒的框架算在内，通过复核等方式来计算，同时也需要夯实并加强同井墙相链接的柱子的配筋，同时，需要注意的是，伸出屋顶的楼电梯间同水箱间等结构物的承重结构需采用框架梁结构，切实杜绝使用砌体墙，而且雨篷要切忌从承重墙中拔出，楼梯梁以及夹层梁等不能在填充墙上做支撑，正确的方法是依靠承重柱来进行支撑。(3)基础拉梁层的计算模型问题。为了确保计算精准科学、通常情况下，可以引入TAT程序、SATWE程序来进行基础拉梁层的框架结构计算，因为这一层中没有任何楼板，所以，在计算运算过程中，可以将楼板的厚度取零值，同时，要对弹性节点加以定义。(4)加强科学研究，开发设计软件。建筑结构安全设计需要依托于健全完善的计算机软件技术，特别是安全等级较高的建筑结构设计更加需要计算机技术的支持，多层框架建筑结构的安全设计相对复杂、难度也较大，必须加强对建筑结构设计人员的培养与培训，使他们开发出更多的设计软件程序，当前的一些力学模型无法有效满足相对复杂的结构构件模式，也不能够对构件的承载力加以科学设计，这样就无法有效确保建筑物结构设计的安全程度，因此，要想确保建筑结构设计的安全，就要积极开拓创新，想方设法开发出一套精度较高、功能健全的软件系统，依靠并利用这些软件系统来确保建筑结构设计安全。
3总结
建筑结构设计的安全程度直接影响着建筑的质量，只有加强对建筑结构的安全设计，才能有效提高建筑物的牢固度、安全等级，必须完善建筑结构设计者的能力、素质与水平，提高他们的安全责任意识，把好结构安全设计关，研制出更多先进、高端的建筑结构设计软件，实现对建筑结构的安全设计。
作者：茹治强 白凤 单位：洛阳市宜阳县住建局建筑勘测设计所
第三篇：建筑结构抗震设计方法
1基于能量抗震设计方法的研究现状
1.1结构总累积耗能需求EH的计算自Housner开始，许多学者先后研究了单自由度(SDOF)系统和多自由度(MDOF)系统的总累积滞回耗能需求EH[2―10]。目前，关于结构的地震总输入能EI、总累积滞回耗能EH在EI中所占比例EH/EI的研究已基本成熟，获得了可用于设计的弹塑性SDOF系统的EI谱和EH/EI谱[3―9]。对于实际结构的弹塑性MDOF系统，为了能够应用SDOF系统的能量研究成果，研究者们采取以“单”代“多”的思路，着重研究了MDOF系统与SDOF系统地震输入能量的相关关系。结果表明，对于高度较小的结构，可由对应于结构一阶周期的等效SDOF系统确定结构的地震总输入能量EI,MDOF和总累积滞回耗能EH的需求[2,6,10]，计算流程见图1。对于高阶振型影响较大的多高层规则结构，文献[11]基于Chopra等[12]提出的MPA方法，研究了基于MPA方法确定结构各阶周期等效弹塑性SDOF系统的能量与实际弹塑性MDOF系统的能量之间的关系，研究结果表明，可采用多阶振型组合方法确定多高层结构的总累积滞回耗能EH，即只需通过结构各阶周期的等效SDOF系统的总累积滞回耗能叠加即可。文献[10]通过算例分析验证了该方法的有效性。基于Chopra提出的可考虑平面不对称结构的修正MPA方法[13]，文献[14]进一步将基于多阶振型组合的结构总耗能计算方法拓展到平面不对称高层结构。1.2总累积耗能EH在结构中的分布获得结构的总累积耗能EH后，需进一步确定结构中各个构件的累积耗能需求EHi，才能最终将基于能量抗震设计落实到构件层次。目前关于EH分布的研究成果主要是针对各种不同结构形式的大量弹塑性分析获得。Akbas和Shen等[15―16]根据1层、3层、6层、10层、15层、20层规则钢框架结构的计算结果进行回归，认为阻尼比为0.02时的EH呈上小下大的线性分布。肖明葵[17]分析了剪切型和弯剪型多层结构的EH分布规律，统计了耗能集中层占结构总累积滞回耗能的比例。史庆轩等[18]研究了地面运动参数和结构参数对RC框架结构EH层间分布的影响，定性地对RC框架结构的累积滞回耗能层间分布规律进行了总结，认为累积滞回耗能在结构层间的分布基本上呈下大上小的梯形分布。刘哲峰等[19]针对高层钢框架-剪力墙混合结构的分析研究表明，EH主要集中在剪力墙底部区域，而钢框架部分则基本不参与滞回耗能，并通过参数分析研究得到了底层剪力墙的耗能比例与结构周期及强震持时的关系。文献[20]通过对不同高度钢框架的弹塑性时程分析表明，对于普通设计的高层钢框架，强震作用下的耗能需求在结构顶部和底部楼层较大。文献[21―22]同样针对一系列的规则钢框架结构，通过时程分析研究得到，当钢框架严格按照“强柱弱梁”进行设计时，各楼层框架梁所耗散的能量沿楼层呈对数正态分布，并通过统计回归给出了各楼层的EH分布。此外，部分学者借助静力弹塑性分析确定EH的分布。1996年Fajfar等[23]提出采用推覆分析方法确定RC框架和框架-剪力墙结构的EH分布。Chou等[24]基于MPA方法给出了钢框架结构相应于小震、中震和大震3个状态时EH的分布，并通过多阶振型推覆组合方法考虑了结构高阶振型对EH分布的影响，给出了EH的近似分布。朱建华和沈蒲生[25]采用幂级数水平加载模式的推覆分析计算了RC框架结构和RC框架-核心筒结构的EH分布。文献[26]提出的基于能量RC框架结构抗震性能评估方法，也采用了与Chou所提出的类似方法来计算结构各楼层的EH分布。虽然通过推覆方法确定EH分布可简化分析计算，但该方法只是通过结构弹塑性变形的峰值量分布来近似确定结构的EH分布，而EH是结构在往复地面运动下的动态累积量，对于一般的结构，这两者之间并不一定存在线性对应关系，故该方法确定EH分布的结果准确性无法保证。事实上，由于结构参数分布的复杂性和地面运动的不确定性，使得总累积耗能EH在结构中的分布具有随机性和不均匀性。Akiyama[2]早在1985年就指出，对于层模型，由于高阶模态和地震动的不确定性，多自由度系统的能量分布不均匀，会出现耗能集中楼层位置具有不确定性的问题。程光煜等[27]采用层模型研究也同样得到MDOF系统中可能会出现能量集中层位置不确定的问题。Gupta等[28]采用杆系模型分析也得到类似的结论。由于结构总累积耗能EH分布的复杂性，使得设计者无法确定结构中各构件的累积耗能需求，这成为长期制约基于能量抗震设计方法进一步发展的重要原因，也是基于能量抗震设计方法研究中的难点。1.3耗能损伤评价和能力设计为将基于能量抗震设计落实到构件层次，在确定结构各构件的累积耗能需求后，须对各构件进行耗能损伤设计，以按预期损伤控制目标进行构件损伤控制设计。目前，这方面的研究主要以试验为基础，通过构件耗能损伤试验研究的统计结果确定构件累积滞回耗能与损伤程度的关系，建立相应的构件损伤评估模型。大量试验研究表明，结构构件在地震作用下的损伤破坏与其往复受力历程的累积滞回耗能和最大塑性变形相关。对于钢筋混凝土构件，研究者们提出了各种结构和构件损伤评价模型[29―34]，其中以式(1)基于最大塑性变形和累积滞回耗能的Park-Ang模型[29]被广泛认可。Fajfar和Teran-Gilmore等[35―36]应用Park-Ang模型及其改进模型建立了可用于钢筋混凝土结构的损伤评价方法。对于钢结构的损伤评价，目前有两种思路：第一种与混凝土构件研究相同，采用双参数准则[37]；另一种则是仅考虑累积滞回耗能造成的累积损伤，通过对构件进行低周疲劳验算进行耗能损伤设计[38―40]。1.4基于能量抗震设计的流程基于上述研究成果，部分学者提出了基于能量抗震设计流程。1985年，日本学者Akiyama[2]在其专著中基于对SDOF系统和MDOF系统的能量分析研究，提出了基于能量抗震设计的思路和方法，但其工作多数停留在理论层面，无法实际应用。1996年Fajfar等[23]在之前研究工作的基础上，应用N2方法和修正的Park-Ang模型，进行了钢筋混凝土结构的设计和损伤评估，具体流程见图2(a)。该设计流程将基于能量抗震设计与基于位移抗震设计的性能评估方法相结合，对基于能量抗震设计向实用化发展具有重要意义。但是，由于该设计流程在确定总累积耗能EH的分布时采用Pushover方法，正如1.2节所述，对于一般结构，该方法的准确性无法保证，需要探讨其适用条件。针对钢框架结构，Shen基于弹塑性时程分析的小样本量回归统计，得到MDOF系统的EI和EH的需求，并基于EH沿高度线性分布的假定，提出了基于能量抗震设计的流程，如图2(b)所示[15―16]。但程光煜等[27]的研究认为，对于一般小阻尼比结构，难以保证EH沿结构高度线性分布，只有高阻尼比结构(>0.1)，EH沿结构高度才可近似为线性分布。因此，该流程中关于EH线性分布的假定与实际情况有较大偏差。Chou等[24]针对钢框架结构也提出了基于能量抗震设计方法的流程如图2(c)所示。该流程在总体思路上分别借鉴了Fajfar和Shen提出的流程，最主要的改进是通过采用MPA方法来计算结构总累积耗能EH的分布。由于考虑了高阶振型的影响，因此可应用于高层结构。但MPA方法本质上仍属Pushover方法，如前所述，对于未采取特定结构损伤机制控制措施的一般结构，在计算EH分布时将导致较大偏差。文献[41]基于能量平衡的概念提出了一种针对框架结构的塑性设计方法。该方法明确了必须以控制框架结构在地震作用下实现“强柱弱梁”的整体型屈服机制为前提。在此基础上，根据结构在地震作用下的预设目标位移，假定地震过程中结构的塑性耗能与结构单向推覆(按结构第一振型设置侧向力模式)加载至目标位移时所耗散的能量相等，得到结构的设计基底剪力。之后再对结构进行静力分析，按照能力设计法的要求进行“强柱弱梁”承载力设计。文献[42]基于上述方法，在考虑钢筋混凝土结构的滞回特性基础上适当修正了能量谱的计算方法后，应用于RC框架结构的设计。这一方法虽然应用了“能量平衡”的概念，但其假定与实际情况不符，因为结构在地震作用下的塑性耗能是累积量，与结构单向加载至最大位移时的塑性耗能量是不相等的。从本质上来看，该方法仍属直接基于位移的抗震设计方法，是基于一种特定的R--T关系的设计方法。除上述基于能量的结构抗震设计方法外，还有一些学者研究了消能减震结构的基于能量设计方法。文献[43―44]针对BRB支撑钢框架结构提出了一种基于能量设计流程。在该结构体系中，框架柱底和梁柱结点均为铰接，因此主体框架仅承受重力荷载，而由BRB支撑抵抗全部水平地震作用。该设计流程是在主体框架按相关规范设计完成的前提下，基于所有累积耗能全部由BRB支撑系统耗散的假定，定量设计BRB支撑系统，是一种消能减震结构基于能量的设计方法。具体设计时，根据结构的一阶周期和预设目标延性，由累积滞回耗能谱和累积延性系数谱确定结构的总累积耗能EH和支撑系统的总累积变形；然后基于EH沿楼层高度的线性分布假定计算各楼层的EH耗能需求，并结合支撑系统的总累积变形确定各层的BRB支撑的截面参数。显然，该方法是用对应结构一阶周期的等效单自由度系统的地震响应来替代实际结构的响应，故只适用于高度较小的中低层结构。文献[45]也提出了一种采用耗能支撑阻尼器加固框架结构的基于能量设计方法。该方法的总体思路也是使结构的累积滞回耗能全部由各楼层的阻尼器耗散。在确定各楼层的累积耗能分布时采用了均匀分布假定。与文献[43―44]的方法类似，该方法的适用范围也仅限于高度较小的中低层结构。文献[46]采用等效粘滞阻尼概念，提出了消能减震结构的基于能量设计方法，可应用于不同类型阻尼器的减震结构。该方法的控制设计目标是使主体结构保持弹性，由各楼层的阻尼器耗散能量，据此定量设计各楼层阻尼器的布置方案。为了能应用于高阶振型影响较大的高层结构，该流程在确定各楼层的耗能需求分布时，与Chou的设计流程类似，采用了MPA方法。1.5以损伤耗能机制控制为前提的基于能量抗震设计方法综上所述，基于能量抗震设计需首先确定结构中累积耗能EH的分布。对于各类抗震结构，由于目前的基于能量抗震设计方法未明确结构的损伤机制控制，因而无法控制结构中的耗能部位，这会导致结构中的耗能分布难以确定。而与消能减震结构相关的基于能量设计方法则实施效果更好，这是因为结构中附设消能器本身就是一种有效的结构控制设计措施，使得结构中的耗能部位明确，因而易于实现基于能量设计。为使抗震结构在强震作用下具有稳定可控的耗能机制，一些研究者通过对结构采取“控制”措施来避免结构中耗能部位不确定的问题。文献[47]基于层模型分析讨论了结构屈服后刚度对结构地震响应的影响，指出要保证结构在强震下不出现耗能集中层，应设法使结构的屈服后刚度系数不低于一定的数值。文献[48―50]尝试控制结构体系中不同构件的先后屈服次序来实现结构具有足够屈服后刚度的要求，相继提出了双重结构、损伤控制结构和刚柔结构的概念。文献[27]进一步提出了体系能力设计法，在结构设计之初就从结构体系层次上明确区分主结构和次结构。通过调整主、次结构的抗震承载力的能力比，使强震作用下主结构基本保持弹性以控制结构的整体变形模式和耗能机制，次结构构件承受损伤耗能。由于预先明确了损伤部位并采取了相应的控制措施，使得结构在弹塑性阶段由次结构或次要部位作为结构中耗散能量的主体，而整体结构的动力响应性态能有效地受控于主结构而不出现局部不确定的耗能集中层。综上所述，通过对结构进行损伤耗能机制控制，使结构在强震作用下具有合理的耗能机制，是实现基于能量抗震设计的前提。文献[27]系统地论述了合理损伤耗能机制控制对于实现基于能量抗震设计的意义。一方面，只有预先对结构进行合理的损伤耗能机制控制，才能避免由于地震动等不确定性因素引起的结构中耗能部位无规律现象，使结构具有稳定的预期耗能机制，进而使基于能量设计方法可以落实到构件层次。另一方面，经过合理损伤耗能机制设计的结构在强震作用下的耗能损伤部位明确，设计者可以有针对性地对耗能构件进行能力设计，保证结构有充分的耗能能力，从而有效地把握结构在强震作用下的弹塑性行为和整体结构的抗震性能。因此，合理损伤耗能机制控制是实现基于能量抗震设计方法的前提和基础，同时也是该方法相比于传统的基于承载力和基于位移抗震设计方法的优越性所在。在基于位移抗震设计的基础上，以结构合理耗能机制控制设计为前提，结合对预期耗能构件和部位的耗能损伤评价，图3给出了基于能量抗震设计方法的实施框架。基于该实施框架，可采用静力弹塑性分析方法来计算结构各构件的弹塑性变形需求(图3第③步)。由于不同类型结构的受力特点相差较大，其损伤耗能机制的控制目标和设计条件也各不相同，因此作为整个方法的最核心步骤，需要分别针对各类结构的受力特征进行结构损伤耗能机制控制研究(图3第②步)。以下分别针对钢支撑框架结构、RC框架结构和RC框-剪结构，分别阐述其合理损伤耗能机制控制的设计条件和基于能量抗震设计方法的实施。
2钢支撑框架结构基于能量抗震设计方法
2.1钢支撑框架结构的损伤耗能机制控制文献[27]通过体系能力设计法将图4所示的钢支撑框架结构设计成具有明确主、次结构的体系，使其在强震作用下具有合理的损伤耗能机制。具体来说，在钢支撑框架结构中，竖向荷载主要由框架承担，地震作用下框架梁、柱的性能直接决定了钢支撑框架结构的整体安全性，因此框架是整体结构中的主结构，且框架柱的重要性高于框架梁。支撑主要承担侧向力，发生屈服后不影响主结构的竖向承载能力，而且由于支撑的布置形式，在水平地震作用下支撑对层间侧移变形的敏感性比框架梁柱更大，故支撑将先于框架梁、柱屈服，因此支撑是结构中的主要耗能构件。鉴于普通支撑在强震作用下容易发生屈曲失稳，低周耗能能力较差，因此选用防屈曲支撑代替普通支撑作为次结构构件。结合结构的抗震设防目标，建议钢支撑框架结构的损伤耗能机制控制目标如下：1)小震作用下，主结构(框架梁柱)、次结构(支撑)均处于弹性范围；2)中震作用下，次结构(防屈曲支撑)进入塑性，但塑性程度不大，震后无需修复；主结构中的框架柱保持弹性，大部分框架梁保持弹性，少量框架梁进入塑性且塑性发展程度较小。3)大震作用下，次结构(防屈曲支撑)屈服程度较大，但不超过其极限塑性变形能力；主结构中部分框架梁进入塑性，绝大部分框架柱保持弹性，少量框架柱屈服且塑性发展程度较小。基于大量分析结果，文献[27]建议钢支撑框架结构的钢框架与支撑的抗侧刚度比不低于0.5，可使整体结构形成主-次结构体系，且具有不低于0.33的屈服后刚度系数，从而可实现上述合理损伤耗能机制控制的目标。2.2钢支撑框架结构耗能分布计算在对钢支撑框架结构进行合理损伤耗能机制控制设计的前提下，整体结构可避免在强震作用下出现不确定的局部耗能集中层，具有稳定的耗能分布。记第i层的总累积滞回耗能为EHi。对于钢支撑框架结构，EHi主要由该层的防屈曲支撑和框架梁端塑性铰分担。记第i层的防屈曲支撑和框架梁端塑性铰的耗能分别为EHi,brace和EHi,beam。文献[27]通过大量的算例分析研究表明，如果对整体结构进行损伤耗能机制控制，则强震作用下结构各层最大变形反应分布与结构的累积滞回耗能分布有较好的对应关系。图5、图6给出了在罕遇地震水准的ElCcentroEW地震输入下采用MPA方法确定的各层的累积耗能EHi分布和支撑与框架梁的累积耗能比EHi,brace/EHi,beam，图中同时还给出了直接采用弹塑性时程分析(THA)的结果，可见两者结果接近。因此，对于经过损伤耗能机制控制设计的钢支撑框架结构，可采用MPA方法确定其累积滞回耗能分布。2.3钢支撑框架结构构件耗能损伤评价和设计在确定各楼层支撑和框架梁端塑性铰的耗能后，可根据相关的规范要求[40]或者结合相关试验研究，对耗能构件和耗能部位进行低周疲劳设计验算，进行构件层次的基于能量抗震设计。关于钢支撑框架的具体设计算例可参见文献[27]。
3RC框架结构基于能量抗震设计方法
3.1RC框架结构损伤耗能机制控制由框架梁和框架柱共同组成的框架结构属于单一结构体系。结构竖向荷载由框架柱承担，显然框架柱在结构中的重要性高于框架梁。强震作用下RC框架结构的损伤耗能机制主要有图7所示的几种。图7(a)的“强柱弱梁”机制，框架柱仅在底层柱底屈服，结构主要由各层框架梁端塑性铰耗散地震能量，是一种整体型屈服耗能机制。若柱铰出现在某一层或几层，形成软弱层机制(图7(b))或部分软弱层破坏(图7(c))，都属于局部屈服耗能机制，容易引起结构中的塑性变形和累积滞回耗能集中，易导致结构发生局部楼层倒塌。而且，在局部屈服耗能机制下，因地震动的随机性会导致的结构弹塑性响应的离散性显著增大，结构的耗能分布没有相对稳定的规律[51]。由此可见，对于普通RC框架结构，要使其在强震作用下具有相对稳定的EH分布，关键在于控制其实现“强柱弱梁”机制。文献[52]针对我国汶川地震中框架结构大多未能实现“强柱弱梁”机制的问题，结合国外几个代表性规范的有关规定和文献资料，并根据大量RC框架结构的弹塑性时程算例分析，提出在考虑楼板有效翼缘宽度、并根据实配钢筋面积(计入受压筋)和材料强度标准值确定框架梁实际受弯承载力的前提下，控制RC框架结构柱梁抗弯承载力比不小于可基本保证RC框架结构形成“强柱弱梁”机制。3.2RC框架结构的耗能分布计算在对RC框架结构进行“强柱弱梁”机制控制设计的前提下，文献[51]研究了总累积滞回耗能EH在框架梁和框架柱中的分配规律。研究表明，所有框架梁的总累积滞回耗能EBH与EH之比EBH/EH可达90%以上，即总累积耗能基本由框架梁分担，而框架柱的总累积滞回耗能ECH则较小，并且只在底层柱底耗能，框架柱的损伤位置和程度均可得到有效控制。同时，研究结果还显示，满足“强柱弱梁”机制控制的框架结构，框架梁的耗能沿楼层高度的分布具有稳定的模式，大致可以分为三段：即结构中下部的线性增长段、中上部的平台段和结构顶层单独作为一段。据此，文献[51]提出了RC框架梁耗能沿楼层高度分布的简化计算公式。此外，为了计算每层各个框架梁的累积耗能分布，文献[51]通过算例分析表明可采用MPA方法近似确定。在此基础上，可按照图8所示流程确定RC框架结构中各梁柱构件的累积耗能需求。3.3RC框架结构构件耗能损伤评价和设计在确定了RC框架结构的所有框架梁和底层框架柱的累积滞回耗能后，可以结合构件的最大塑性变形需求，采用Park-Ang模型进行梁柱构件耗能损伤评价和能力设计。文献[53]分别针对不同类型的RC构件，全面地总结了RC梁柱构件极限变形能力u的相关研究成果，提出了u与构件配箍量的相关关系。综合这些成果，可将RC构件的耗能损伤评价和设计落实到构件的极限变形能力u上。具体来说，首先根据构件损伤设计目标值DPA(DPA可根据安全度要求取不大于1的数值)，由式(1)确定RC框架梁、柱构件的极限变形能力u的设计值；然后根据u与构件配箍量的相关关系，确定各构件所需配置的箍筋量，确保其具备足够的极限变形和耗能能力，实现构件层次的基于能量抗震设计。采用上述基于能量抗震设计方法对一4层规则RC框架结构的y向进行设计。结构平面如图9，层高均为3.6m。8度抗震设防，地震分组为第一组，二类场地。其它信息详见文献[51]。在进行结构布置后，根据我国现行抗震规范(GB50011-2010)进行结构承载力设计，得到各层框架梁和底层框架柱底端的纵筋配筋量。然后根据损伤耗能机制的设计要求，按照框架柱梁抗弯承载力比=1.4对各梁柱节点处的柱端进行配筋设计。之后，采用一阶MPA方法进行各构件的弹塑性变形需求分析，同时在确定结构总累积耗能EH后，按照3.2节所述流程计算各构件的累积耗能需求EHi，最后基于Park-Ang模型进行构件耗能损伤评价和设计，确定构件的配箍值。完成设计后，选取10条强震记录[51]对该RC框架进行弹塑性时程分析。图10给出了框架梁累积滞回耗能EBHi沿楼层高度分布的时程计算结果和本文建议方法的计算结果，可以看出，按本文方法计算得到的框架梁累积耗能的分布偏于安全，满足设计需要。
4RC框-剪结构基于能量抗震设计方法
4.1RC框-剪结构损伤耗能机制控制RC框-剪结构主要包含四类构件：框架梁、框架柱、墙肢和连梁。由于墙肢和框架柱是框-剪结构中的主结构构件，同时墙肢在整体结构中主要承担侧向力，是RC框-剪结构中的关键构件，其抗震性能对整体结构的抗震性能至关重要。而连梁和框架梁屈服后对整体结构的竖向承载力影响较小，且通过合理设计可使其成为具有较大耗能能力的延性耗能构件。因此强震作用下应尽量使RC框-剪结构由连梁和框架梁先屈服耗能，而推迟墙肢和框架柱的屈服，并控制其损伤程度。文献[54]的分析表明，RC框-剪结构在强震作用下一般可形成“强墙肢弱连梁”和“强连梁弱墙肢”两种典型损伤耗能机制。图11(a)“强墙肢弱连梁”机制是一种整体型耗能机制，以各楼层的连梁和框架梁耗能为主，由于在水平地震作用下连梁对层间侧移变形更敏感，因此连梁是RC框-剪结构中的主要耗能构件，框架梁则为辅助耗能构件。作为RC框-剪结构关键构件的墙肢仅在底部屈服耗能，同时框架柱基本保持弹性，维持其竖向承载能力。图11(b)的“强连梁弱墙肢”屈服机制则由于中上部楼层的连梁不易屈服耗能，导致中上部墙肢形成局部损伤耗能集中，且具体位置有一定的随机性，结构无法形成稳定的耗能机制。因此，为实现RC框-剪结构基于能量抗震设计，应以“强墙肢弱连梁”机制作为合理损伤耗能机制的控制目标，而应避免“强连梁弱墙肢”机制。文献[55]以联肢墙整体系数作为反映连梁与墙肢相对刚度比的参数，墙肢截面轴向变形影响系数TZ作为反映剪力墙洞口(连梁净跨度)相对大小的参数，框-剪结构刚度特征值作为反映框架与剪力墙总抗侧刚度相对大小的参数，对大量不同、TZ、参数情况的RC框-剪结构算例进行了多条地震动输入下的弹塑性时程计算，给出了、TZ、参数与结构耗能机制类型的关系，结果表明：TZ和是影响框-剪结构耗能机制的关键因素；对于给定参数TZ，只有使不超过相应的界限值，才能实现“强墙肢弱连梁”机制；主要影响连梁与框架梁之间的耗能分配比例，其数值变化不会明显改变RC框-剪结构的耗能机制类型。据此给出了式(2)所示由、TZ和结构总高度H所表达的“强墙肢弱连梁”机制的设计控制条件。由于RC框-剪结构中小跨高比连梁难以实现“强墙肢弱连梁”机制，文献[55]建议采用双连梁或多连梁，可使框-剪结构满足“强墙肢弱连梁”机制的条件。(0.450.28)ZTH≤，(>1且TZ≤[TZ])(2)式中，TZ为联肢剪力墙过渡到壁式框架的界限值。4.2RC框-剪结构耗能分布计算当RC框-剪结构满足式(2)“强墙肢弱连梁”损伤耗能机制条件的前提下，文献[55]分别研究了总累积滞回耗能EH在各类耗能构件中的分配，结果表明框架梁、墙肢、连梁各自的总累积滞回耗能EHF、EHW和EHCB分别与结构总累积滞回耗能EH之比EHF/EH、EHW/EH、EHCB/EH具有明显的规律性，并提出了相应的简化计算公式。同时，文献[55]对经过“强墙肢弱连梁”损伤耗能机制控制设计的RC框-剪结构累积耗能沿楼层高度分布的研究显示，框架梁和连梁的累积耗能沿楼层高度方向均呈现稳定的分布模式(图12(a)、图12(c))，而墙肢的累积耗能则基本集中在底部加强区(图12(b))。据此，文献[55]提出了RC框-剪结构中框架梁和连梁的耗能沿楼层高度分布的简化计算公式。另外，与RC框架结构的耗能分布计算类似，可采用MPA方法近似确定每层同类构件的累积耗能分布。综上，可按图13所示流程计算RC框-剪结构各构件的累积耗能需求。4.3RC框-剪结构构件耗能损伤评价和设计与RC框架结构类似，在确定RC框-剪结构中的所有连梁、框架梁和底部加强区墙肢的累积耗能需求后，可以同时结合各耗能构件的最大塑性变形需求，采用Park-Ang模型进行RC构件的损伤评价，保证各类构件在地震作用下有足够的塑性变形和累积滞回耗能能力。基于上述方法对一20层规则RC框-剪结构在y向进行基于能量抗震设计。结构平面尺寸如图14，层高均为3.6m，8度抗震设防，地震分组为第一组，二类场地。其它设计信息详见文献[55]。结构承载力设计仍根据规范进行，按式(2)进行“强墙肢弱连梁”耗能机制控制条件验算并适当调整连梁尺寸，最终确定结构的构件尺寸和纵筋配置。然后，分别采用前两阶组合的MPA方法确定各构件的弹塑性变形需求，再按4.2节流程计算各构件的累积耗能需求。在此基础上完成构件耗能损伤评价和能力设计[55]。同样利用10条强震记录对所设计的RC框-剪结构进行弹塑性时程分析，由计算得到的各类构件的累积耗能沿楼层高度分布及其与本文方法的计算结果对比如图15所示。可见，本文基于能量抗震设计方法可以较准确地计算RC框-剪结构构件的累积耗能需求。
5结论
本文介绍了目前基于能量抗震设计的研究现状，并系统总结了作者关于基于能量结构抗震设计方法的相关研究工作，指出结构的耗能机制控制是实现基于能量抗震设计方法的前提，据此提出了基于能量抗震设计方法的实施框架，并建议了基于能量结构抗震设计流程。在此基础上，分别针对钢支撑框架结构、RC框架结构和RC框-剪结构，阐述了合理损伤耗能机制控制的条件和基于能量抗震设计方法的具体应用。需要说明的是，本文介绍的基于能量抗震设计方法均以相应的合理损伤耗能机制控制为前提。目前各类结构的损伤耗能机制控制条件都是基于对大量规则结构算例的研究而提出的，因此所建立的基于能量抗震设计方法暂时只适用于质量和刚度沿竖向均匀分布、结构平面总体对称布置，扭转效应较小的结构。对于平面布置不对称，竖向刚度有突变层等不规则结构，需对其合理的损伤耗能机制控制条件进行论证后可按本文方法进行基于能量设计。
作者：叶列平 缪志伟 程光煜 马千里 陆新征 单位：清华大学土木工程系 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室
第四篇：建筑结构设计要点分析
1当代高层建筑结构类型
1．1剪力墙结构体系在剪力墙结构中，一系列横向和纵向的钢筋混凝土剪力墙组成竖向承重结构，剪力墙不仅仅需要承受重力荷载作用，还在承受诸多水平荷载的作用，如风、地震等水平荷载作用。剪力墙结构和框架结构相比，测向刚度大、侧移小，该结构属于刚性结构体系。从理论角度来说，剪力墙结构可以用来建造上百层的民用建筑，然而从技术经济层面来说，地震区的剪力墙一般是控制在一定层数和高度下。这种结构的缺点是间距较小，一般在3米到6米之间，因而建筑平面的布置较为死板，缺乏灵活性，使得使用受到一定的限制。1．2框架结构体系框架结构是利用梁和柱组成的纵横两个方向的框架形成的结构体系，他同时承受竖向荷载和水平荷载，其优点是建筑平面布置灵活，可形成较大建筑空间，建筑立面处理也比较方便，主要缺点是侧向刚度小，层数较多时会产生侧向位移，易引起非结构构件破坏，影响使用，在非地震区，框架结构一般不超过15层。1．3筒体结构体系筒体结构由框架－剪力墙结构与全剪力墙结构综合演变和发展而来。筒体结构是将剪力墙或密柱框架集中到房屋的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是剪力墙集中而获得较大的自由分割空间，多用于写字楼建筑。
2高层建筑结构设计要点
2．1基础设计问题地基是建筑施工的基础，建筑设计人员在高层建筑结构设计的过程之中需要首先全面了解建筑地基，分析好建筑结构和建筑环境，结合好环境和施工，切实提高建筑结构设计在施工过程中的可实行性。我国国土辽阔，建筑环境迥异，地质情况也各有不同，所以，设计人员需要深入研究地质状况，确保施工的顺利进行。建筑结构设计人员需要首先勘探水位，进一步综合考虑地质数据、上层结构类型、使用功能和施工条件。再者，设计者还需要研究周围建筑环境的安全度，从而观察建筑物倾斜或者沉降情况。最后，设计人员还需要了解建筑物设置位置和标高，分析建筑施工的科学性，从而确保建筑工程施工的顺利进行。2．2水平荷载问题垂直荷载、风力产生的水平荷载、地震抵抗力等都是在建筑工程施工的过程中能够影响到建筑质量的因素。水平荷载是建筑结构设计的主要控制因素，其对建筑质量发挥着决定性的作用。建筑结构设计人员需要分析水平荷载的方向和大小，预防、控制水平荷载可能会导致的高层建筑结构问题，加强对建筑结构的强化效果，从而减少水平荷载导致的建筑结构问题。2．3结构延性问题在地震的作用下，高层建筑结构因具备很好的柔和性，会形成很大的变形。为了提高其抗震性能，设计人员需要强化对建筑结构塑性形变，确保其具备较好的抵抗变形能力。在高层建筑结构设计的过程中，对高层建筑结构进行合理的强度强化，合理处理高层建筑边角和底座等部分，确保其具备充足的延性，从而加强高层建筑的安全性和稳定性。2．4结构选型问题高层建筑结构所选用的施工工艺不仅在很大程度上影响着建筑施工材料的消耗，还影响着工期和建筑质量。之所以，在进行高层建筑结构选型的过程中，设计人员需要全面控制建筑结构体系，合理选取建筑结构的工艺。在进行结构选型的过程中，设计人员需要对高层建筑结构平面和里面进行全方位的控制，优化单独架构的控制效果。完善建筑结构力学分析，确保建筑施工的受力效益和特性，设计高层建筑结构的选秀概念阶段，确保高层建筑施工的经济效益。高层建筑结构设计人员需要对选型环境和施工效果等进行充分的考虑，提高建筑结构的综合经济效益和社会效益，避免出现工程资源浪费现象。2．5抗震及连梁问题在进行高层建筑抗震设计的过程之中，一般情况下，高层建筑不使用单纯的框架结构体系，而是会选取框架一剪力墙、剪力墙、筒体结构等来实现对自身结构的加固，提高其抗震性能。这以上方法可以有效地提高对地震的抵抗效果，从而提高建筑结构的经济性。在框架－剪力墙结构中，设计人员可以降低连梁的刚度，折减刚度系数。如果在折减之后，建筑结构仍然无法满足设计的需要和设计要求，设计人员可以适当内调幅连梁，然而在实际调幅的过程中，还要保证调幅力度应低于20个百分点。
3结束语
高层建筑的结构设计是一项有着重大意义的工作，其不仅关乎着国家建筑行业的发展和国民享用的建筑的质量，而且考验着我国建筑行业专业设计人员的素质和水平，因其是一门实用性很强的工作。如果依照传统的设计法来设计高层建筑的结构，会带来巨大的浪费，因而，对我国建筑行业来说，抓住高层建筑结构设计的要点，推行能实现资源合理分配、利用的高层建筑结构设计方案，提出节约建筑造价的结构优化设计方法势在必行。
作者：杨俊
第五篇：高层建筑结构设计
一、超高层建筑结构设计的特点分析
1.对建筑物结构的变形问题的重视超高层建筑高度重视建筑结构的轴向变形，这是因为，在超高层的建筑结构中，柱体受到的竖向荷载力过大而导致了较大的轴向变形问题，这种变形对于连续梁的弯矩大小具有不利影响，进一步将连续梁之间的支撑处的负弯矩值缩小，扩大了正弯矩值，最终使得两端的支撑处的负弯矩值增大。在建筑的设计中，需要根据构件的长度来有效对轴向的变形数值加以及时的更改，当产生了较大的轴向变形时，对于下料的长度也造成了极大的影响。此外，结构的轴向变形对于建筑构件的剪力和位移的大小也会产生影响，进而对超高层建筑物的整体安全造成影响。2.对抗震性能设计的重视在超高层建筑的设计中，抗震性能方面的设计无疑是其需要着重考虑的一个重要的方面，这关乎超高层建筑的安全和稳定性能。在抗震结构的设计中，需要对超高层建筑的一些关键部位加以强化，提高其抗震能力和抗变形能力，综合考虑在风力、地震以及诸多因素的影响和作用下可能会导致的变形情况。为了有效提高超高层建筑的抗震能力和变形能力，保障其在塑性形变之后能力不受影响，避免受到地震等巨大作用力而导致的坍塌情况，在超高层建筑设计的过程中，需要注意对结构延性方面的设计，制定相应的举措来有效提高结构的延性，进而有效提高建筑的整体抗震性能。
二、超高层建筑的结构体系
随着我国建筑事业的不断进步与发展，我国对于超高层建筑的研究日益深入，建筑技术日趋成熟，超高层建筑的数量不断增加，以下，笔者简要就超高层建筑的结构体系加以简单的介绍。1.框架结构的选择框架结构的高度局限有一定的限制，在一些高烈度地区进行限值的规范时，由于构件的截面区域相对较大，因此其实用性相对较差，不满足经济性原则，也无法与国家规定的多道设防的理念相一致，因此这就导致了剪力墙体系的产生。框架剪力墙体系与我国现行规范的多道设防理念相一致，并有效提高了建筑的承载力，增强了其韧性和刚度，在满足基本的使用需求的同时，也极大的优化了整体的性能。只需要在建筑物的适当位置增加一定的剪力墙，就可以有效提高超高层建筑在水平和竖直方向上的荷载力，增强了刚度需求，使其更好的满足规范化和科学化。在水平方向上所承受的荷载力的作用下，框架剪力墙与刚度较强的楼板和连续梁结合在一起，构成了相互合作的结构体系。2.剪力墙体系超高层建筑物的受力结构全部都是由剪力墙结构所代替的，在该体系中，剪力墙在建筑结构中承受的是整个建筑结构中所有的来自水平方向和垂直方向上荷载作用力。剪力墙结构体系在产生位移的时候所呈现出来的曲线形式为弯曲型。在剪力墙体系之中，其拥有诸多显著的优点，而且其强度与刚度也相对较好，在进行力的传递时，则相对的均匀，其整体性较好，故而在剪力墙体系中，其所出现的建筑工程倒塌现象较为少见，这也间接的推动了剪力墙体系在超高层建筑工程中的普遍运用和发展，其能建高度相对较大。3.避难层的设计对于超高层建筑来说，避免场所（层）的设计可以说十分有必要，避难层设计的主要原因是考虑到在超高层建筑发生火灾、地震等诸多不安全因素时，可以有效对超高层建筑中的人群加以保护。因此这就需要避难层的空间相对较大，通风性能优良。综合关于对避难层设置的相关规定来看，第一层与避难层之间需要控制在十五层之间，对于避难层的面积设计需要满足基本的避难需求，此外还要在避难层附近设置相应的消防电梯，同时配备较为完善的消防设备。
三、结束语
笔者衷心希望，以上关于对我国超高层建筑结构设计的相关探究能够被相关负责人合理的吸收和采纳，进而有效推动我国的超高层建筑设计水平的提高，保障超高层建筑的整体质量，更好的推动我国建筑事业的健康和长远发展。
作者：单纯勇 单位：上海中房建筑设计有限公司
第六篇：建筑结构设计优化
1结构设计优化方法的意义
建筑工程造价控制是保证企业经济利润的关键因素。结构优化设计能够降低15%到30%的工程造价，具有实际的经济性。房屋建筑大多是多层建筑，甚至很多都是高层建筑，层数的增加会因为建筑面积的增加而增加投资。层数增加对结构承载力的要求也随之增加，为了保证结构的安全性，承重墙、梁、柱的承载等级和抗震性能都要随之增加，因而提高了房屋的造价。合理的结构设计能够根据建筑结构的空间和层面，增强结构的各种性能，结构设计受力性增加、抗震性增加不断可以减少结构所需物料，还能减少基础和装修物料，达到统一协调的目的，实现了结构的经济安全。
2结构设计优化中建立模型的步骤
系统结构优化设计模型是选择结构中影响变量的主要参数来建立相应的函数模型。这种模型的建立能够运用科学、合理的计算方法得出较好的优化方案。建立模型需要划分为三个步骤。2．1确立设计变量参数变量的选择对最终设计方案的确定有着重要的数据参考意义。建立模型首先要对设计中变量的参数进行筛选，选择对总体结构有较大影响，变化幅度小，考虑因素少的参数错位参考指标，降低结构设计、计算的工作难度。2．2确定相关目标函数然后对工程中各种参数进行按照重要性进行属性划分，将影响不大的参数定为预定参数，减少函数模型中的计算量。确定目标函数后，找出符合条件的最优解。然后根据房屋结构的应力约束、结构强度约束、裂缝宽度约束等一系列约束条件进行优化设计，保证结构的合理性。2．3衡量条件系统结构优化设计方案涉及到多个变量和多个约束条件，可变性较大。约束条件包括房屋尺寸、架构稳定性、受力限度、变形限度结构可塑性程度等，设计者要根据房屋建造规条把施工中的约束条件和目标确定的约束条件进行比较和分析，保证各种条件符合相关规定，实现优化设计。在设计优化的过成中要化繁为简，将约束条件转换成约束条件进行计算。计算方法常有符合型法、以及Powell法等。计算的过程中编制相应的运算程序进行辅助优化，最终得到最优化的结果。
3概念设计在房屋结构设计中的优化
房屋结构设计优化的方法多种多样，每一种方法有其适用性，要根据不同的建筑设计效果和建筑环境来决定。在选择合理的优化方案过程中要对房屋建筑工程的实际情况进行了解和分析，保证优化方式的适用性和经济性。概念设计是结构优化中常用到的一种方法，可以通过设计人员的经验来选择灵活的设计方案。对于已经确定结构布置的房屋，会在考虑相同荷载作用的情况下选择不同的分析方法。房屋建筑的设计选用的设计参数指标、选择用的建筑材料和荷载标准值得去法等都有很大的不确定性，在实际工程过程中，会出现与现实不符合的情况。这些因素的影响性可以通过设计人员来判定。经验丰富的房屋建筑设计人员，可以根据自身的经验和以往的数据作为参考，对房屋建筑的情况进行全面综合的考虑，然后做出合理正确的判断。把工程中“人”的灵活性和智能型发挥的淋漓尽致。房屋建筑结构中概念优化设计的关键点是设计人员的理论知识和实践知识，理论知识和实践知识越丰富的设计人员越能够实现对房屋结构的优化设计。房屋概念优化设计的关键在于设计人员的经验积累，经验越丰富的设计人员，就越能实现房屋建筑结构的优化设计。
4结构设计优化注意事项
选择合适的结构类型。不同的房屋建筑工程由不同的结构形式。常见的类型主要包括短肢剪力墙结构、框架结构、框架—剪力墙结构。这三种类型各具特色、各具优缺点，在选择类型的过程中要充分结合房屋功能需求以及工程的经济能力，在保证质量的前提下平衡投资和收益，保证工程利益的最大化。短肢剪力墙结构大多运用于高层建筑中，主要特点是以混凝土结构技术规程为依据，对钢筋数量要求不高，对剪力墙抗震要求较高;框架结构对空间的优化效果最为显著，空间大、不仅灵活、造价低。但是抗震能力较低，柱截面较大，形成的柱角凸出部位会影响家具的摆放;框架—剪力墙结构是合理布置一定数量的剪力强，有较好的抗侧力，还能增强适用性和合理性。
5结语
结构设计优化的技术方法可以使房屋更加坚固美观，能够满足人们对建筑产品的品质要求不断提高。在以后的结构设计过程中，还要进一步优化建筑结构的设计方法，可以使建筑物的设计更为实用，更为安全，更为美观经济，提高建筑物的质量，保证建筑企业的经济效益。
作者：龚强 单位：江西省城建设计研究院有限公司
第七篇：双塔复杂高层建筑结构设计
1双塔连体高层建筑结构特点
1．1连体与塔楼的相对刚度连体与塔楼的相对刚度也是对其分类研究的角度。从这一角度出发，既有连体刚度相对较小的双塔“弱”连体结构，例如上海交银金融大厦，也有如上海证券大厦的“强”连体结构，这种结构连体的刚度很强。连体和塔楼的相对高度与连体的层数、结构形式、位置、连接形式、结构对称性以及荷载的作用方向等很多因素相关。所以，在对连体结构进行强连和弱连的划分时，需要综合考虑上述因素。1．2底盘的设置和底盘刚度从这一方面来看，出于对建筑功能的考虑，我们可以对双塔连体结构设置大底盘，这样的设计建筑有合肥瑞安人厦等，同时也可以像梅田大厦一样不设置底盘。双塔同时通过设置底盘的连体结构的上部连体以及底部的底盘互相耦联，较于没有设置底盘的连体结构，这种连体结构的受力情况要复杂得多，特别是针对不对称的连体结构，对其设置底盘，会使得其受力情况较为复杂。底盘与塔楼的相对刚度受建筑功能和结构体系这两大因素的影响，如果底盘使用较大大空间的框架剪力墙，而上部塔楼使用纯剪力墙这种建筑体系，会使得底盘的侧向刚度很可能和上部塔楼的侧向刚度相接近。而如果上部塔楼的所有竖向构件全部落地，那么，底盘的侧向刚度就必须比上部塔楼的侧向刚度要大。特别是在大震的作用力之下，结构会因产生大幅度的塑性变形，从而导致受到破坏。因此，在进行结构设计的过程之中，需要掌控好二者的侧向刚度比。
2工程实践
2．1工程概况该工程是一个实际工程案例，组成部分有三大部分，分别为住宅、写字楼和商业功用。大底盘裙房有三层，其中，一层是商业功用，二和三层是写字楼。在该工程的结构设计要求中，规定了结构安全等级需要为二级，抗震设防为丙类，设计地震分组是第一组。浇钢筋混凝土框架－剪力墙结构体系为上部结构所使用，现浇钢筋混凝土梁、板体系为平面布置所使用。受场地条件的制约，该工程的结构体系下的建筑平面呈现出矩形的状态，较为细长。2．2单塔内力分析及调整鉴于多塔结构的内力分析比较复杂，所以可以首先对每个塔块进行单独的内力分析。每一塔块的结构布置、周期和位移等各项计算都应当满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(高规)的要求。针对塔块中间细颈部分薄弱的问题，可以在计算的时候，把连接部位板定义成弹性楼板，然后进行有限元的计算。在构造上可以扩宽连接板的宽度，东向凹口补齐，设计成楼板，然后加厚连接处楼板的厚度，通过加宽和加高边梁的方法，使得整块连接板形成“H”形连接件，从而加强连接部分的刚度，以增强整个结构的整体性。2．3整体内力分析在完成单塔分析的基础上，把塔块和大底盘裙房相拼接，把结构整体输入计算，然后得出整体结构计算结果。因为单塔结构布置和刚度分布比较合理，因而在整体计算的时候，各项指标都应当满足《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定的限值，在进行设计的时候，可以根据整体计算结果进行配筋。2．4空间协同工作分析因为上部两个塔楼的结构平面布置不一样，并且层数相差较大，因而会导致各塔楼质量和刚度分布会变得不够均匀。而双塔在水平荷载作用之下协同工作的时候，在结构的内部会出现扭转振动的反应，对大底盘三层裙房结构会产生很大的拉压应力，也就是说，还需要大底盘裙房与之相协调，才能获得双塔不同的变形。因而，空间协同工作分析是该项工程结构设计的关键，通过此种方法做详细具体的应力分析。在了解应力分布情况的基础上，依照应力分布进行设计和做出相应调整，与此同时，在构造上有针对性地加强某些部位。2．5振动分析多塔结构振型尤为复杂，大底盘上两塔楼的高层建筑的同一振型有着两种不同的振动表现形式。下文对大底盘上两塔楼高层建筑结构抗震分析做简述，同时计算振型数的选取。通过计算得到结构前6个周期对应的振动曲线。从对该振动曲线图的大致观察和分析，我们可以看出，大底盘上两塔楼建筑在振动的时候，一方面两个塔楼连同底部裙房一起同方向振动，另一方面两个塔楼之间相对振动。对于本工程大底盘上两塔楼建筑，每个振型都有两种不同的振动表现形式。从上述的分析，我们可以得出相关结论，结论可以用来指导我们下一步正确选取结构计算振型数。因而，对于单体高层建筑，在设计时，水平地震作用效应计算取前n个周期，而对于大底盘双塔的高层建筑，则应当选择2n个周期对应的振型。
3结束语
通过上文的介绍和分析，可以总结出以下相关结论。在进行这种建筑结构的设计工作之前，应当首先对单塔进行内力方面的分析工作，当计算的指标都符合“高规”的要求之后，然后进行整体性的内力分析。在整体计算的时候，各项指标都应当满足“高规”的限值，在设计的时候，需要依据整体的计算结果进行配筋。除此以外，大底盘双塔复杂高层建筑结构设计工作还需要在实践的过程中不断探索出新的方向，从而满足工程实际的需要，优化建筑结构设计，进一步推进我国建筑行业的发展。
作者：袁文光
