淺議建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、淺議建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計陳皓(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，新疆，830002)【摘要】文章從結(jié)構(gòu)體系、材料選取及正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計理念等方面。對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的和方法?！娟P(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；材料；正確計算；設(shè)計理念1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目的由于在建筑產(chǎn)品成本中結(jié)構(gòu)所占的比重很大，通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化，從Ifl『實(shí)現(xiàn)投資效益的合理化，不僅能提高建筑的安全度，而且

2、還能有效的節(jié)約造價。2合理選擇結(jié)構(gòu)體系從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，主要考慮兩個問題：1)滿足建筑功能要求。一般商場、車站、展覽館、餐廳、停車場等多采用框架結(jié)構(gòu)；高層住宅、公寓、賓館等多采用剪力墻結(jié)構(gòu)；商店、寫寧樓、教學(xué)樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一核心筒結(jié)構(gòu)較多。2)按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般多、高層建筑結(jié)構(gòu)可根據(jù)房屋高度、商寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)條件等兇素初步選

3、擇結(jié)構(gòu)體系。同時還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。2)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。3)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。4)結(jié)構(gòu)體系宜有多道抗震防線，加強(qiáng)關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)的處理。5)結(jié)構(gòu)體系宜具有合理的剛度，單純增加結(jié)構(gòu)截面尺寸來加大剛度，有時會適得其反，如果配筋構(gòu)造等措施沒有相應(yīng)跟上，反而會造成結(jié)構(gòu)的隱患

4、，多花了材料、成本，反而損壞了結(jié)構(gòu)的延性和安全度。3充分利用材料性能根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，充分利用材料的性能，揚(yáng)長避短，滿足結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。例如，拱是一種有水平推力的結(jié)構(gòu)，它的主要內(nèi)力是軸向壓力，受力均勻合理，可以允分發(fā)揮材料的抗壓性能。懸索結(jié)構(gòu)的索網(wǎng)是中心受拉構(gòu)件，既無彎矩也無剪力，它能充分發(fā)揮材料的抗拉性能。在大跨度結(jié)構(gòu)中，采用兩種形式相結(jié)合也是非常經(jīng)濟(jì)合理的，例如美國雷里競技館的結(jié)構(gòu)體系，正是把這兩種結(jié)構(gòu)形式非常巧妙的結(jié)合起來

5、，屋蓋采用懸索結(jié)構(gòu)，懸索的拉力傳到兩個交叉的鋼筋混凝：斜拱，卜，斜拱受壓。再如，對現(xiàn)澆板的混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋強(qiáng)度等級的選用。由混凝土規(guī)范對板類構(gòu)件的最小配筋率規(guī)定(pm。=045f／f，且不小于o20％)可知，配筋率隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而增大，隨鋼筋強(qiáng)度等級的提高而減小，因此，當(dāng)板類構(gòu)件的配筋I(lǐng)||最小配筋率控制時，過高的混凝土強(qiáng)度等級會使其配筋量增多，從而使得板類構(gòu)件既不合理又不經(jīng)濟(jì)，特別是當(dāng)采用HPB235級鋼筋時更為明顯。此外

6、。由于現(xiàn)澆屋面板在混凝土硬化過程中水化熱高，收縮大，易產(chǎn)生收縮裂縫。所以，混凝土強(qiáng)度等級不寅選擇過商，比較合適的混凝土強(qiáng)度等級在C20～C30之間，一般不超過C35。關(guān)于鋼筋的選用，衡量其經(jīng)濟(jì)性的不是鋼筋的實(shí)際價格，而是其強(qiáng)度價格比，即每元可購買的單位鋼筋的強(qiáng)度。強(qiáng)度價格比高的鋼筋比較經(jīng)濟(jì)，不僅能減少配筋量，方便施工，還可以減少在加工、運(yùn)輸和施工等方面的各項(xiàng)附加費(fèi)用。所以板類構(gòu)件的受力鋼筋，建議優(yōu)先選用HRB400級或HI國335級鋼筋

7、，而不宜選擇HPB235級鋼筋。這兩類鋼筋除強(qiáng)度較高外，延性及錨同性能也好，無需像HPB235級鋼筋那樣，為滿足粘結(jié)力要求末端還要加彎鉤。但是，采用HIuM00級或HRB335級鋼筋做板的受力鋼筋時，對大跨度板應(yīng)進(jìn)行最大裂縫寬度、撓度的驗(yàn)算。4正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算首先須注意結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異。所有的計算理論和設(shè)計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)又是千差萬別的，所以任何構(gòu)件的計算都應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定結(jié)構(gòu)

8、的約束關(guān)系，并利用結(jié)構(gòu)概念、工程經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷是否合理，以確保最終結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確。例如，某工程頂層水箱F的大梁一端支撐在剪力墻井筒的墻壁上。電算結(jié)果為梁的負(fù)彎矩很大，需要配很大的支座鋼筋。但實(shí)際上，支座處墻壁只有300mm厚，翼緣較遠(yuǎn)，墻壁根奉承受不了支座彎矩，而電腦軟件則將整體井筒作為一個薄壁構(gòu)件來計算，剛度很大，所以能承受很人的彎矩，這就是計算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符。其結(jié)果將是墻壁出現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)化為鉸接，梁的支座鋼筋起不了作用，梁

9、的跨中鋼筋不夠，從而導(dǎo)致梁及水箱破壞。再如，邊梁與樓板的約束關(guān)系，一般認(rèn)為板的邊支座為鉸接，但當(dāng)邊梁為特殊構(gòu)件而剛度增加時，就不是鉸接，結(jié)果自然是錯誤的。其次，還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的合理性。例如，盡管填充墻為“非結(jié)構(gòu)“構(gòu)件，但地震時填充墻實(shí)際上也受力。無論是強(qiáng)度和剛度相對較高的磚墻，還是相對“柔弱”的輕質(zhì)砌塊，在水平方向荷載作用下都能充分發(fā)揮其抗側(cè)能力，并對結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)生較人的影響。同時，填充墻對主體結(jié)構(gòu)動力特性也有較大影響。結(jié)構(gòu)周期為結(jié)

10、構(gòu)動力特性參數(shù)中重要的參數(shù)之一，目前在工程計算中常采用周期折減系數(shù)方法調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，這一取值與實(shí)際工程應(yīng)用數(shù)值間存在差異。因此，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及填充墻的材料和數(shù)量，選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)值對計算周期進(jìn)行折減，若折減系數(shù)選取偏大，會使計算地震力小于實(shí)際的地震力，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不安全，反之則不經(jīng)濟(jì)。5樹立概念設(shè)計理念有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)的安全就是多配一點(diǎn)鋼筋，工程中也流行這么一句“說不清，配鋼筋”。其實(shí)不然，如某結(jié)構(gòu)超筋，不管你再怎么加大配筋

11、率，構(gòu)件的安全性也不會提高而延性降低，這樣既不安全又不經(jīng)濟(jì)。又如，在靜力設(shè)計中，任何構(gòu)件的超強(qiáng)設(shè)計都不會影響整體結(jié)構(gòu)的安全，但在抗震設(shè)計中，某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計超強(qiáng)，就可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部分。因此，在設(shè)計中不合理的任意加強(qiáng)以及在施工中以大代小變配筋都需要慎重考慮。在“汶川地震”中發(fā)現(xiàn)：對于框架結(jié)構(gòu)，普遍情況是底層柱頭出現(xiàn)塑性鉸，梁鉸耗能機(jī)制出現(xiàn)較少，僅在一些豎向荷載較小的樓板約束作用弱的邊框架上出現(xiàn)?？拐鹪O(shè)計的基本理念之一強(qiáng)柱弱粱”沒有

12、很好的實(shí)現(xiàn)。分析原因，一方面由于板的約束提高了梁的承載力：另一方面，在目前工程中，梁的跨度越來越大，相應(yīng)的梁尺寸加大，從而梁的負(fù)筋配筋量加大，再加上有些設(shè)計人員為了結(jié)構(gòu)的安全，以為梁的配筋越多安全儲備就越好，盲目地增加配筋量，從而實(shí)配鋼筋遠(yuǎn)大于計算配筋。這樣不僅沒有達(dá)到預(yù)期的安全度，而且也浪費(fèi)了鋼筋，增加了造價。因此，要有正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。一方面，應(yīng)適當(dāng)考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實(shí)際的正截面抗震受彎承載力的影響，建議計算程序在強(qiáng)

13、柱弱梁的計算中留有開關(guān)，以便設(shè)計人員可根據(jù)樓板負(fù)彎矩鋼筋的實(shí)際配置情況，對用于強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的梁端組合負(fù)彎矩設(shè)計值乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)。另一方面。應(yīng)嚴(yán)格控制梁端實(shí)配鋼筋，對梁端負(fù)彎矩鋼筋不應(yīng)超配(控制實(shí)配鋼筋不超過計算鋼筋面積，一般情況下，可取實(shí)配鋼筋面積為095倍～10倍的計算鋼筋面積)；對梁端正彎矩鋼筋應(yīng)控制超配比例(一般情況下，可控制超配系數(shù)在lO％以內(nèi))6結(jié)語對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化，一直是每個設(shè)計人員所期盼

14、的。文中主要從結(jié)構(gòu)體系、材料的選取到進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計理念等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有一定的價值。萬方數(shù)據(jù)啤塑空空?215?淺議建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計陳蠟(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，新疆，830002)摘要]文章從結(jié)構(gòu)體系、材料選取a正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計絞念等方面，對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的和方法。[關(guān)鍵詞建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計材料i正確計算設(shè)計理念1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目的由于在

15、建筑產(chǎn)品成本中結(jié)構(gòu)所內(nèi)的比意很大，通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化，從1M實(shí)現(xiàn)投資效益的合理化，不僅能提高建筑的安全度，而且還能旬效的節(jié)約造價。2合理選擇結(jié)構(gòu)體系從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，主要考慮兩個問跑zJ)滿足建筑功能~求。一般商場、車站、展覽館、餐廳、停車場等多采用框架結(jié)構(gòu):尚啟伎宅、公寓、賓館等多采用剪力埔紡構(gòu):商店、寫字樓、教學(xué)樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架…剪力培結(jié)構(gòu)、板架一核心簡結(jié)構(gòu)較多。2)按紡構(gòu)設(shè)討直要

16、求。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般多、高層建筑結(jié)構(gòu)可根據(jù)房屋高度、高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)條件等因素初步選持結(jié)構(gòu)體系。同時還應(yīng)注意以下兒點(diǎn)1)紡構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡閣和合迎的地震作用傳遞途徑。2)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)避免閻部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞詡導(dǎo)致艘個結(jié)構(gòu)tt失抗震能力或?qū)?!I力荷載的承載能力.3)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和消稅地震能攘的能力。4)緒構(gòu)體系1i:有多道抗震防線，加強(qiáng)關(guān)鍵部位和

17、薄弱環(huán)節(jié)的處理。5)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有合嫂的剛度，單純增加結(jié)構(gòu)截面尺寸來加大剛度，有時會適得具:反，如果Ii筋構(gòu)造等措施沒何相應(yīng)跟上，反而會造成結(jié)構(gòu)的隱患，多花了材料、成本，反而損壞了結(jié)構(gòu)的延性和安全度。3充分利用材料性能根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，充分利用材料的價能，揚(yáng)長避矩，滿足結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。例如，拱是一種省水平推力的結(jié)構(gòu).8的主要內(nèi)力是軸向壓力，受力均勻合理，可以充分發(fā)揮材料的抗隱性能。慈索結(jié)構(gòu)的索間是巾心受拉構(gòu)件，既無灣矩也無剪力，

18、它能充分發(fā)揮材料的抗拉性能。在大跨度結(jié)構(gòu)中，采用兩種形式相結(jié)合也是非常經(jīng)濟(jì)合嫂的，例如炎國雷m競技館的結(jié)構(gòu)體系，正是把這兩種結(jié)構(gòu)形式非常巧妙的結(jié)合起來，盟直在采用懸索結(jié)構(gòu)，懸索的~.力傳到兩個交叉的鋼筋混凝~:斜拱盧1:.斜拱受壓。再如，對現(xiàn)澆板的混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋強(qiáng)度等級的選用。自混凝土規(guī)范對板類構(gòu)件的簸小配筋察規(guī)定(Pmin呻.451.11y且不小于0.20“10)可知，自己筋本隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而增大，隨鋼筋強(qiáng)度等級的提高削

19、減小，因此，當(dāng)板類構(gòu)件的配筋I(lǐng)I~最小配筋率控制時，過高的混凝土強(qiáng)度等級會使其配筋是增多，從而使得板類構(gòu)件既不合理又不級濟(jì)，特別是當(dāng)采用HPB235級鋼筋時更為明顯。此外，由于觀澆犀麗飯在混凝土硬化過程中水化熱商，收縮大，易產(chǎn)生收縮裂縫。所以，混凝土強(qiáng)度等級不宵選擇過高，比較合適的混凝土強(qiáng)度等級在C20C30之間，一般不超過C35。關(guān)于鋼筋的選用，衡量其經(jīng)濟(jì)性的不是鋼筋的實(shí)際價格，而是其強(qiáng)度價格比，即每元問購買的單位鋼筋的強(qiáng)度。強(qiáng)度價格

20、比商的制筋比較經(jīng)濟(jì)，不僅能減少配筋最，方便施工，還可以減少在加工、運(yùn)輸和施工等方面的各項(xiàng)附加費(fèi)用。所以板類構(gòu)件的受力鋼筋，建議優(yōu)先選用HRB400級咸陽議B335級鋼筋，而不宜選擇HPB235級鋼筋@這兩類鋼筋除強(qiáng)度較向外，延性及鋪同性能也好，無需像HPB235級鋼筋那樣，為滿足粘結(jié)力~求末端還要加彎鉤。但是，采用HRB4∞級或HRB335級鋼筋做板的受力鋼筋時，對火跨度板應(yīng)進(jìn)行最大裂縫寬度、撓度的驗(yàn)算。41E確進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算首先須注怠結(jié)

21、構(gòu)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的主在異。所有的計算現(xiàn)論和1設(shè)計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)又是千漿Jj剔的，所以任何構(gòu)件的計算都府根據(jù)實(shí)際情況確定結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，并利用結(jié)構(gòu)概念、工程經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷趨于吁合理，以確保最終結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確。例如，某工粉頂層水箱F的大梁…端支撒在剪力榴井筒的墻壁上。電貨!結(jié)果為梁的負(fù)彎矩很大，省要配很大的:t~鋼筋。但實(shí)際上，文座處埔盛只有300mm厚，輿緣較遠(yuǎn)，精鍵根本承受不

22、丁文庫勾知，鬧電腦軟件則將整體并筒作為一個薄壁構(gòu)件來計算，剛度很大，所以能承受很人的勾矩，法就是計算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符α其結(jié)果將是墻壁出現(xiàn)~縫轉(zhuǎn)化為餃接，梁的文座鋼筋起不了作用，染的跨中鋼筋不夠，從而導(dǎo)致梁及水箱破壞。再如，邊梁與樓板的約束關(guān)系，一般認(rèn)為板的邊立座為餃接，但當(dāng)邊梁為特殊構(gòu)件而剛度增加時，就不是餃接，結(jié)果自然是錯誤的。其次，還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的合理性。例如，盡管填充墻為“非結(jié)#句“構(gòu)件，但地震時填充堵實(shí)際上也受力。無論是

23、強(qiáng)度和剛度相對較高的磚鋪，還是相對“梁弱“的輕質(zhì)砌塊，在水平方向街載作用下都能充分發(fā)揮其抗側(cè)能力，并對結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)生較火的影響。同時，填充墻對主體結(jié)構(gòu)功力特性也有較大影響。結(jié)構(gòu)周期為結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)中最耍的參數(shù)之一，目前在工程計算中常采用周期折減系數(shù)方法調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，這…取值與實(shí)際工程應(yīng)用數(shù)值悶在在裝異。因此，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及填充墻的材料和數(shù)量，選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)值對計算周期進(jìn)行折減，若折減系數(shù)選取偏太，會使計算地震力小于實(shí)際的地

24、震力，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不安全，反之則不經(jīng)濟(jì)OS樹立概念設(shè)計理念有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)的安全就是多配一點(diǎn)鋼筋，工程中也流行這么一句“說不消，配鋼筋“。其實(shí)不然，如3在結(jié)構(gòu)超筋，不管你再怎么加大配筋率，構(gòu)件的安全性也不會提高而延性降低，這樣既不安余又不經(jīng)濟(jì)。又如，在靜力設(shè)計中，任何構(gòu)件的超強(qiáng)設(shè)計都不會影響整體結(jié)構(gòu)的安全，但在抗震設(shè)計中，某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計超強(qiáng)，就可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部分。囚此，在設(shè)計中不合理的任意加強(qiáng)以及在施工中以大代小變配筋都需姿慎

25、重考慮。在“汶川地震“中發(fā)現(xiàn)z對于艇架結(jié)構(gòu)，~遍情況是底層柱頭出現(xiàn)塑價錢，梁絞耗能機(jī)制出現(xiàn)較少，僅在d些!JlZ向街載較小的樓飯約束作用弱的邊框架上出現(xiàn)。抗震設(shè)計的基本理念之一“強(qiáng)柱弱梁“沒有很好的實(shí)現(xiàn).分析原因，一方而由于飯的約束提高了梁的承載力:另一方面，在目前工程中，梁的跨度越來越大，相應(yīng)的梁尺寸加大，從而梁的負(fù)筋配筋疊加大，再加上有些設(shè)計人員為了結(jié)構(gòu)的安傘，以為梁的配筋越多安全儲備就越好，盲目地增加配筋蓋章，從而實(shí)配鋼筋遠(yuǎn)大于計

26、算配筋。這樣不僅沒有達(dá)到預(yù)期的安全度，而且也浪費(fèi)了鋼筋，增加了造價。因此，要有正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)念。一方麗，應(yīng)適當(dāng)考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實(shí)際的正截固抗震受彎承載力的影響，建議計算程序在強(qiáng)柱弱架的計算t扣留有開關(guān)，以便設(shè)計人員可根據(jù)樓板負(fù)彎矩鋼筋的實(shí)際配置臣情況，對用于強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的梁端組合負(fù)彎矩設(shè)計值乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù).另一方面，應(yīng)嚴(yán)格控制梁端實(shí)自己鋼筋，對梁端負(fù)罪苦矩鋼筋不應(yīng)超配(按制實(shí)配鋼筋不超過計算鋼筋面積，一般情況下，可

27、取實(shí)配鋼筋麗積為0.95倍1.0倍的計算鋼筋面積)對梁端正勾矩鋼筋應(yīng)控制超配比例(一般情況下，可控制超配系數(shù)在10l也以內(nèi)〉6緒銷對建筑結(jié)構(gòu)逃行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化，…直是每個設(shè)計人員所期盼的。文中主要從結(jié)構(gòu)體系、材料的選取到進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計理念等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有一定的價值。淺議建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計陳皓(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，新疆，830002)【摘要】文章從結(jié)構(gòu)體系、材料選

28、取及正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計理念等方面。對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的和方法?！娟P(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；材料；正確計算；設(shè)計理念1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目的由于在建筑產(chǎn)品成本中結(jié)構(gòu)所占的比重很大，通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化，從Ifl『實(shí)現(xiàn)投資效益的合理化，不僅能提高建筑的安全度，而且還能有效的節(jié)約造價。2合理選擇結(jié)構(gòu)體系從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，主要考慮兩個問題：1)滿足建筑功能要求。一般商場、車站、展

29、覽館、餐廳、停車場等多采用框架結(jié)構(gòu)；高層住宅、公寓、賓館等多采用剪力墻結(jié)構(gòu)；商店、寫寧樓、教學(xué)樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)、框架一核心筒結(jié)構(gòu)較多。2)按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般多、高層建筑結(jié)構(gòu)可根據(jù)房屋高度、商寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)條件等兇素初步選擇結(jié)構(gòu)體系。同時還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。2)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)避免因

30、部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。3)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。4)結(jié)構(gòu)體系宜有多道抗震防線，加強(qiáng)關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)的處理。5)結(jié)構(gòu)體系宜具有合理的剛度，單純增加結(jié)構(gòu)截面尺寸來加大剛度，有時會適得其反，如果配筋構(gòu)造等措施沒有相應(yīng)跟上，反而會造成結(jié)構(gòu)的隱患，多花了材料、成本，反而損壞了結(jié)構(gòu)的延性和安全度。3充分利用材料性能根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，充分利用材料的性能，揚(yáng)長

31、避短，滿足結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。例如，拱是一種有水平推力的結(jié)構(gòu)，它的主要內(nèi)力是軸向壓力，受力均勻合理，可以允分發(fā)揮材料的抗壓性能。懸索結(jié)構(gòu)的索網(wǎng)是中心受拉構(gòu)件，既無彎矩也無剪力，它能充分發(fā)揮材料的抗拉性能。在大跨度結(jié)構(gòu)中，采用兩種形式相結(jié)合也是非常經(jīng)濟(jì)合理的，例如美國雷里競技館的結(jié)構(gòu)體系，正是把這兩種結(jié)構(gòu)形式非常巧妙的結(jié)合起來，屋蓋采用懸索結(jié)構(gòu)，懸索的拉力傳到兩個交叉的鋼筋混凝：斜拱，卜，斜拱受壓。再如，對現(xiàn)澆板的混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋強(qiáng)

32、度等級的選用。由混凝土規(guī)范對板類構(gòu)件的最小配筋率規(guī)定(pm。=045f／f，且不小于o20％)可知，配筋率隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而增大，隨鋼筋強(qiáng)度等級的提高而減小，因此，當(dāng)板類構(gòu)件的配筋I(lǐng)||最小配筋率控制時，過高的混凝土強(qiáng)度等級會使其配筋量增多，從而使得板類構(gòu)件既不合理又不經(jīng)濟(jì)，特別是當(dāng)采用HPB235級鋼筋時更為明顯。此外。由于現(xiàn)澆屋面板在混凝土硬化過程中水化熱高，收縮大，易產(chǎn)生收縮裂縫。所以，混凝土強(qiáng)度等級不寅選擇過商，比較合適的

33、混凝土強(qiáng)度等級在C20～C30之間，一般不超過C35。關(guān)于鋼筋的選用，衡量其經(jīng)濟(jì)性的不是鋼筋的實(shí)際價格，而是其強(qiáng)度價格比，即每元可購買的單位鋼筋的強(qiáng)度。強(qiáng)度價格比高的鋼筋比較經(jīng)濟(jì)，不僅能減少配筋量，方便施工，還可以減少在加工、運(yùn)輸和施工等方面的各項(xiàng)附加費(fèi)用。所以板類構(gòu)件的受力鋼筋，建議優(yōu)先選用HRB400級或HI國335級鋼筋，而不宜選擇HPB235級鋼筋。這兩類鋼筋除強(qiáng)度較高外，延性及錨同性能也好，無需像HPB235級鋼筋那樣，為滿足

34、粘結(jié)力要求末端還要加彎鉤。但是，采用HIuM00級或HRB335級鋼筋做板的受力鋼筋時，對大跨度板應(yīng)進(jìn)行最大裂縫寬度、撓度的驗(yàn)算。4正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算首先須注意結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異。所有的計算理論和設(shè)計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)又是千差萬別的，所以任何構(gòu)件的計算都應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，并利用結(jié)構(gòu)概念、工程經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷是否合理，以確保最終結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確。例如，某工程頂層水箱

35、F的大梁一端支撐在剪力墻井筒的墻壁上。電算結(jié)果為梁的負(fù)彎矩很大，需要配很大的支座鋼筋。但實(shí)際上，支座處墻壁只有300mm厚，翼緣較遠(yuǎn)，墻壁根奉承受不了支座彎矩，而電腦軟件則將整體井筒作為一個薄壁構(gòu)件來計算，剛度很大，所以能承受很人的彎矩，這就是計算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)不符。其結(jié)果將是墻壁出現(xiàn)裂縫轉(zhuǎn)化為鉸接，梁的支座鋼筋起不了作用，梁的跨中鋼筋不夠，從而導(dǎo)致梁及水箱破壞。再如，邊梁與樓板的約束關(guān)系，一般認(rèn)為板的邊支座為鉸接，但當(dāng)邊梁為特殊構(gòu)件而

36、剛度增加時，就不是鉸接，結(jié)果自然是錯誤的。其次，還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的合理性。例如，盡管填充墻為“非結(jié)構(gòu)“構(gòu)件，但地震時填充墻實(shí)際上也受力。無論是強(qiáng)度和剛度相對較高的磚墻，還是相對“柔弱”的輕質(zhì)砌塊，在水平方向荷載作用下都能充分發(fā)揮其抗側(cè)能力，并對結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)生較人的影響。同時，填充墻對主體結(jié)構(gòu)動力特性也有較大影響。結(jié)構(gòu)周期為結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)中重要的參數(shù)之一，目前在工程計算中常采用周期折減系數(shù)方法調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，這一取值與實(shí)際工程應(yīng)用

37、數(shù)值間存在差異。因此，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及填充墻的材料和數(shù)量，選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)值對計算周期進(jìn)行折減，若折減系數(shù)選取偏大，會使計算地震力小于實(shí)際的地震力，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不安全，反之則不經(jīng)濟(jì)。5樹立概念設(shè)計理念有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)的安全就是多配一點(diǎn)鋼筋，工程中也流行這么一句“說不清，配鋼筋”。其實(shí)不然，如某結(jié)構(gòu)超筋，不管你再怎么加大配筋率，構(gòu)件的安全性也不會提高而延性降低，這樣既不安全又不經(jīng)濟(jì)。又如，在靜力設(shè)計中，任何構(gòu)件的超強(qiáng)設(shè)計都不會影響整體

38、結(jié)構(gòu)的安全，但在抗震設(shè)計中，某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計超強(qiáng)，就可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部分。因此，在設(shè)計中不合理的任意加強(qiáng)以及在施工中以大代小變配筋都需要慎重考慮。在“汶川地震”中發(fā)現(xiàn)：對于框架結(jié)構(gòu)，普遍情況是底層柱頭出現(xiàn)塑性鉸，梁鉸耗能機(jī)制出現(xiàn)較少，僅在一些豎向荷載較小的樓板約束作用弱的邊框架上出現(xiàn)?？拐鹪O(shè)計的基本理念之一強(qiáng)柱弱粱”沒有很好的實(shí)現(xiàn)。分析原因，一方面由于板的約束提高了梁的承載力：另一方面，在目前工程中，梁的跨度越來越大，相應(yīng)的梁尺寸

39、加大，從而梁的負(fù)筋配筋量加大，再加上有些設(shè)計人員為了結(jié)構(gòu)的安全，以為梁的配筋越多安全儲備就越好，盲目地增加配筋量，從而實(shí)配鋼筋遠(yuǎn)大于計算配筋。這樣不僅沒有達(dá)到預(yù)期的安全度，而且也浪費(fèi)了鋼筋，增加了造價。因此，要有正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。一方面，應(yīng)適當(dāng)考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實(shí)際的正截面抗震受彎承載力的影響，建議計算程序在強(qiáng)柱弱梁的計算中留有開關(guān)，以便設(shè)計人員可根據(jù)樓板負(fù)彎矩鋼筋的實(shí)際配置情況，對用于強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的梁端組合負(fù)彎矩設(shè)計值

40、乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù)。另一方面。應(yīng)嚴(yán)格控制梁端實(shí)配鋼筋，對梁端負(fù)彎矩鋼筋不應(yīng)超配(控制實(shí)配鋼筋不超過計算鋼筋面積，一般情況下，可取實(shí)配鋼筋面積為095倍～10倍的計算鋼筋面積)；對梁端正彎矩鋼筋應(yīng)控制超配比例(一般情況下，可控制超配系數(shù)在lO％以內(nèi))6結(jié)語對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理化，一直是每個設(shè)計人員所期盼的。文中主要從結(jié)構(gòu)體系、材料的選取到進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計理念等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有

41、一定的價值。萬方數(shù)據(jù)啤塑空空?215?淺議建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計陳蠟(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，新疆，830002)摘要]文章從結(jié)構(gòu)體系、材料選取a正確的結(jié)構(gòu)計算、樹立概念設(shè)計絞念等方面，對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的和方法。[關(guān)鍵詞建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計材料i正確計算設(shè)計理念1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目的由于在建筑產(chǎn)品成本中結(jié)構(gòu)所內(nèi)的比意很大，通過對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)設(shè)計合理化，從1M實(shí)現(xiàn)投資效益的合理化，不僅

42、能提高建筑的安全度，而且還能旬效的節(jié)約造價。2合理選擇結(jié)構(gòu)體系從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，主要考慮兩個問跑zJ)滿足建筑功能~求。一般商場、車站、展覽館、餐廳、停車場等多采用框架結(jié)構(gòu):尚啟伎宅、公寓、賓館等多采用剪力埔紡構(gòu):商店、寫字樓、教學(xué)樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架…剪力培結(jié)構(gòu)、板架一核心簡結(jié)構(gòu)較多。2)按紡構(gòu)設(shè)討直要求。對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一般多、高層建筑結(jié)構(gòu)可根據(jù)房屋高度、高寬比、抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、場地類別、結(jié)構(gòu)材料

43、和施工技術(shù)條件等因素初步選持結(jié)構(gòu)體系。同時還應(yīng)注意以下兒點(diǎn)1)紡構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計算簡閣和合迎的地震作用傳遞途徑。2)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)避免閻部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞詡導(dǎo)致艘個結(jié)構(gòu)tt失抗震能力或?qū)?!I力荷載的承載能力.3)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具備必要的承載能力，良好的變形能力和消稅地震能攘的能力。4)緒構(gòu)體系1i:有多道抗震防線，加強(qiáng)關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)的處理。5)結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有合嫂的剛度，單純增加結(jié)構(gòu)截面尺寸來加大剛度，有時會適得具:反，如果Ii筋構(gòu)造等

44、措施沒何相應(yīng)跟上，反而會造成結(jié)構(gòu)的隱患，多花了材料、成本，反而損壞了結(jié)構(gòu)的延性和安全度。3充分利用材料性能根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，充分利用材料的價能，揚(yáng)長避矩，滿足結(jié)構(gòu)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。例如，拱是一種省水平推力的結(jié)構(gòu).8的主要內(nèi)力是軸向壓力，受力均勻合理，可以充分發(fā)揮材料的抗隱性能。慈索結(jié)構(gòu)的索間是巾心受拉構(gòu)件，既無灣矩也無剪力，它能充分發(fā)揮材料的抗拉性能。在大跨度結(jié)構(gòu)中，采用兩種形式相結(jié)合也是非常經(jīng)濟(jì)合嫂的，例如炎國雷m競技館的結(jié)構(gòu)體系，

45、正是把這兩種結(jié)構(gòu)形式非常巧妙的結(jié)合起來，盟直在采用懸索結(jié)構(gòu)，懸索的~.力傳到兩個交叉的鋼筋混凝~:斜拱盧1:.斜拱受壓。再如，對現(xiàn)澆板的混凝土強(qiáng)度等級和鋼筋強(qiáng)度等級的選用。自混凝土規(guī)范對板類構(gòu)件的簸小配筋察規(guī)定(Pmin呻.451.11y且不小于0.20“10)可知，自己筋本隨混凝土強(qiáng)度等級的提高而增大，隨鋼筋強(qiáng)度等級的提高削減小，因此，當(dāng)板類構(gòu)件的配筋I(lǐng)I~最小配筋率控制時，過高的混凝土強(qiáng)度等級會使其配筋是增多，從而使得板類構(gòu)件既不合

46、理又不級濟(jì)，特別是當(dāng)采用HPB235級鋼筋時更為明顯。此外，由于觀澆犀麗飯在混凝土硬化過程中水化熱商，收縮大，易產(chǎn)生收縮裂縫。所以，混凝土強(qiáng)度等級不宵選擇過高，比較合適的混凝土強(qiáng)度等級在C20C30之間，一般不超過C35。關(guān)于鋼筋的選用，衡量其經(jīng)濟(jì)性的不是鋼筋的實(shí)際價格，而是其強(qiáng)度價格比，即每元問購買的單位鋼筋的強(qiáng)度。強(qiáng)度價格比商的制筋比較經(jīng)濟(jì)，不僅能減少配筋最，方便施工，還可以減少在加工、運(yùn)輸和施工等方面的各項(xiàng)附加費(fèi)用。所以板類構(gòu)件的

47、受力鋼筋，建議優(yōu)先選用HRB400級咸陽議B335級鋼筋，而不宜選擇HPB235級鋼筋@這兩類鋼筋除強(qiáng)度較向外，延性及鋪同性能也好，無需像HPB235級鋼筋那樣，為滿足粘結(jié)力~求末端還要加彎鉤。但是，采用HRB4∞級或HRB335級鋼筋做板的受力鋼筋時，對火跨度板應(yīng)進(jìn)行最大裂縫寬度、撓度的驗(yàn)算。41E確進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算首先須注怠結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)的主在異。所有的計算現(xiàn)論和1設(shè)計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀

48、態(tài)又是千漿Jj剔的，所以任何構(gòu)件的計算都府根據(jù)實(shí)際情況確定結(jié)構(gòu)的約束關(guān)系，并利用結(jié)構(gòu)概念、工程經(jīng)驗(yàn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，判斷趨于吁合理，以確保最終結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確。例如，某工粉頂層水箱F的大梁…端支撒在剪力榴井筒的墻壁上。電貨!結(jié)果為梁的負(fù)彎矩很大，省要配很大的:t~鋼筋。但實(shí)際上，文座處埔盛只有300mm厚，輿緣較遠(yuǎn)，精鍵根本承受不丁文庫勾知，鬧電腦軟件則將整體并筒作為一個薄壁構(gòu)件來計算，剛度很大，所以能承受很人的勾矩，法就是計算模型與實(shí)際結(jié)

49、構(gòu)不符α其結(jié)果將是墻壁出現(xiàn)~縫轉(zhuǎn)化為餃接，梁的文座鋼筋起不了作用，染的跨中鋼筋不夠，從而導(dǎo)致梁及水箱破壞。再如，邊梁與樓板的約束關(guān)系，一般認(rèn)為板的邊立座為餃接，但當(dāng)邊梁為特殊構(gòu)件而剛度增加時，就不是餃接，結(jié)果自然是錯誤的。其次，還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的合理性。例如，盡管填充墻為“非結(jié)#句“構(gòu)件，但地震時填充堵實(shí)際上也受力。無論是強(qiáng)度和剛度相對較高的磚鋪，還是相對“梁弱“的輕質(zhì)砌塊，在水平方向街載作用下都能充分發(fā)揮其抗側(cè)能力，并對結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)

50、生較火的影響。同時，填充墻對主體結(jié)構(gòu)功力特性也有較大影響。結(jié)構(gòu)周期為結(jié)構(gòu)動力特性參數(shù)中最耍的參數(shù)之一，目前在工程計算中常采用周期折減系數(shù)方法調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振周期，這…取值與實(shí)際工程應(yīng)用數(shù)值悶在在裝異。因此，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及填充墻的材料和數(shù)量，選取恰當(dāng)?shù)臄?shù)值對計算周期進(jìn)行折減，若折減系數(shù)選取偏太，會使計算地震力小于實(shí)際的地震力，造成結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于不安全，反之則不經(jīng)濟(jì)OS樹立概念設(shè)計理念有人認(rèn)為結(jié)構(gòu)的安全就是多配一點(diǎn)鋼筋，工程中也流行這

51、么一句“說不消，配鋼筋“。其實(shí)不然，如3在結(jié)構(gòu)超筋，不管你再怎么加大配筋率，構(gòu)件的安全性也不會提高而延性降低，這樣既不安余又不經(jīng)濟(jì)。又如，在靜力設(shè)計中，任何構(gòu)件的超強(qiáng)設(shè)計都不會影響整體結(jié)構(gòu)的安全，但在抗震設(shè)計中，某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計超強(qiáng)，就可能造成結(jié)構(gòu)的相對薄弱部分。囚此，在設(shè)計中不合理的任意加強(qiáng)以及在施工中以大代小變配筋都需姿慎重考慮。在“汶川地震“中發(fā)現(xiàn)z對于艇架結(jié)構(gòu)，~遍情況是底層柱頭出現(xiàn)塑價錢，梁絞耗能機(jī)制出現(xiàn)較少，僅在d些!JlZ

52、向街載較小的樓飯約束作用弱的邊框架上出現(xiàn)。抗震設(shè)計的基本理念之一“強(qiáng)柱弱梁“沒有很好的實(shí)現(xiàn).分析原因，一方而由于飯的約束提高了梁的承載力:另一方面，在目前工程中，梁的跨度越來越大，相應(yīng)的梁尺寸加大，從而梁的負(fù)筋配筋疊加大，再加上有些設(shè)計人員為了結(jié)構(gòu)的安傘，以為梁的配筋越多安全儲備就越好，盲目地增加配筋蓋章，從而實(shí)配鋼筋遠(yuǎn)大于計算配筋。這樣不僅沒有達(dá)到預(yù)期的安全度，而且也浪費(fèi)了鋼筋，增加了造價。因此，要有正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)念。一方麗，應(yīng)適當(dāng)

53、考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實(shí)際的正截固抗震受彎承載力的影響，建議計算程序在強(qiáng)柱弱架的計算t扣留有開關(guān)，以便設(shè)計人員可根據(jù)樓板負(fù)彎矩鋼筋的實(shí)際配置臣情況，對用于強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的梁端組合負(fù)彎矩設(shè)計值乘以適當(dāng)?shù)姆糯笙禂?shù).另一方面，應(yīng)嚴(yán)格控制梁端實(shí)自己鋼筋，對梁端負(fù)罪苦矩鋼筋不應(yīng)超配(按制實(shí)配鋼筋不超過計算鋼筋面積，一般情況下，可取實(shí)配鋼筋麗積為0.95倍1.0倍的計算鋼筋面積)對梁端正勾矩鋼筋應(yīng)控制超配比例(一般情況下，可控制超配系數(shù)在1