146_高层建筑结构梁式转换层的优化设计_邹晓康

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1、Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集高层建筑结构梁式转换层的优化设计邹晓康李千山李开原AECOMASIACOMPANYLTD艾奕康有限公司香港新界沙田新城市中央广场第2座8楼摘要：转换层是建筑结构上下楼层的重要连接点，在整个高层结构体系中发挥着重要的作用。梁式转换层是目前高层建筑转换层设计中最常用的结构类型。借助HyperWorks/OptiStruct这个较强大的优化工具,我们可以快捷有效地进行高层建筑结构梁式转换层的优化设计。梁式转换层的优化设计不仅可节省结构材料造价,提供优化的设计方案以及杆件尺寸，而且能有效地控制结构的响应,更

2、可以改善建筑结构的受力性能。关键词：高层建筑结构转换层转换梁优化设计1.概述高层建筑使用功能正朝着综合化的方向转变，同一建筑垂直方向上使用功能转换的情况更加普遍，如下部楼层为大空间的会所、商场及室内运动场馆，上部楼层则为开间较小的办公室、酒店客房以及住宅等（文献[1]、[2]）。当上下楼层竖向结构形式差异较大、竖向柱网轴线错位情况显著时，则需要在结构产生变化的楼层设置“转换层”。“转换层”是上下楼层结构体系的重要连接点，在整个高层建筑结构体系中发挥着重要的作用。按照结构类型进行分类，高层建筑转换层的主要类型有：“板式转换层”、“箱式转换层”以及“梁式转换层”

3、等几种形式。其中，“梁式转换层”具有耗材少、造价低，荷载传递直接、明确等优点，其荷载传递途径为：上楼层墙体及柱——转换梁——下部墙体或柱。在目前高层建筑转换层设计中，“梁式转换层”已成为了最常用的结构类型。随着优化技术的日益强大以及完善,在高层建筑设计中应用优化技术解决设计问题变得愈加可行，愈加重要。我们可以对结构在风荷载作用下进行抗风设计优化，还可在动态地震载荷作用下进行结构抗震设计优化（文献[4]~[5]）；我们可以追求单一目标优化如结1Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集构重量、造价、使用面积等，还可实现基于结构性能的多目标、多

4、等级的优化，特别是优化相互矛盾的目标（文献[6]）。我们不仅可以优化杆件的尺寸，还可通过拓扑优化找出结构最佳受力路径以及结构方案。集分析与优化于一体的HyperWorks/OptiStruct提供了较强大的优化功能,借助这个工具,我们可以把复杂的优化技术应用到高层建筑结构梁式转换层设计中。首先，要从建筑功能、结构受力和经济合理等几个方面来考虑结构的选型、转换梁的布置，还要比较不同尺寸转换梁的剪压比、配箍率及配筋率，以得到较合理的优化边界条件。借助HyperWorks/OptiStruct，基于梁式转换层受力机理的分析，我们可以较快捷地得到优化的转换梁尺寸。2

5、.优化方法及模型在此，我们以一高层建筑实例来阐述梁式转换层优化的方法及模型。图一展示的是一座145米高的高层建筑模型。由于结构竖向结构多变以及建筑要求，三层转换层梁分别设置于第1、12、21层。其底层是大空间结构如图二所示，上部则为结构多变的住宅。该梁式转换层的特点是转换大梁基本上都是跨度较大的悬挑梁，悬挑跨度约10米。2Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集图一：三维高层建筑结构模型底层平面图二：底层及转化层平面3Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集如上所述，该高层建筑结构有三层转换层，其中两层处于楼中上位置，

6、且转换梁悬挑跨度较大。因此我们重点研究了该建筑结构的动力特性和地震作用力对其的影响（文献[7]），发现当转换层位置相对于结构较高时,其地震作用在全部地震作用中所占比重较大,且转换层位置提高会带来层剪力的变化。据知，钢桁架式转换结构具有传力途径明确、结构自重和抗侧刚度比转换实腹梁小、结构开洞和设置管道方便等优越性,在高层建筑结构设计中屡次出现，而且经常会将其作为转换结构置于较高位置（文献[3]）。再者，钢桁架在悬挑跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。根据上述特点以及考虑，我们将优化设计分成三个阶段：在正常使用状态各种荷载组合下，首先对转换梁进行尺

7、寸优化；再对有优化尺寸的实体转换梁进行拓扑优化，剔除无效的材料，优化出有效的受力路径和桁架形式；最后对桁架杆件进行尺寸优化，从而充分利用材料的强度。在此，我们仅对第一阶段的优化进行阐述以及介绍。第一阶段是以转换层梁尺寸为自变量、以结构质量最小为目标的优化。转换层需要承托其身的重量（自重）以及上下楼层的荷载，因此在优化前应进行力学分析和荷载计算，以保证设计的承托体系具有足够的强度。在优化时，除控制在风及地震载荷作用下整个结构的侧向位移外，还要控制结构在各种组合载荷下悬挑梁在竖直方向的相对位移，如下图三所示。悬挑梁上的控制点位置见图四。图三：竖直方向的相对位移约

8、束4Altair 2011 HyperWorks 技