實(shí)際工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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摘要：在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中安全是第一目標(biāo)，但是為了安全而過度的使用材料是不科學(xué)的。應(yīng)該以正確合理的材料用量來實(shí)現(xiàn)建筑物要滿足的各項(xiàng)指標(biāo)要求。本文分析了框架結(jié)構(gòu)中四種不同方案的結(jié)構(gòu)用材，在滿足結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)控制指標(biāo)下，找出基于控制結(jié)構(gòu)工程造價(jià)下的較優(yōu)的截面布置方案。旨在為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu) 梁柱截面尺寸 優(yōu)化設(shè)計(jì)

一．前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]在土木工程中顯得尤為重要。通常結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是規(guī)范加上工程師經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)物，同一建筑物采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案會(huì)造成結(jié)構(gòu)造價(jià)很大的差別。因此對(duì)建筑物進(jìn)行工程造價(jià)控制避免材料浪費(fèi)顯得十分有意義。

二.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是近二十多年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它的出現(xiàn)，使設(shè)計(jì)者能從被動(dòng)的分析、校核而進(jìn)入主動(dòng)的設(shè)計(jì)，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的一次飛躍。從已有經(jīng)驗(yàn)看，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，用優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使土建工程降低造價(jià)5%-30%。優(yōu)化設(shè)計(jì)能最合理地利用材料的性能，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有規(guī)范所規(guī)定的安全度。同時(shí)，它還可為整體性方案設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的決策，優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)-適用、安全和經(jīng)濟(jì)的有效用途。具體的結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)的用材的選用直接影響結(jié)構(gòu)成本，合理選擇結(jié)構(gòu)的用材不僅能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全和合理，還能達(dá)到節(jié)省結(jié)構(gòu)工程的造價(jià)。比如混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選用，以及鋼筋的選用和優(yōu)化，還有結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸的優(yōu)化。下面以框架結(jié)構(gòu)中梁柱尺寸進(jìn)行優(yōu)化為例進(jìn)行探討。

三．結(jié)合實(shí)際工程

1.工程概況

本工程為遼寧省錦州市的六層宿舍樓，結(jié)構(gòu)類型為框架結(jié)構(gòu)。建筑面積3806.05m　,本層一層層高4.20米，二至六層層高3.0米。建筑總高度22.65米。本工程為三類建筑，耐火等級(jí)為三級(jí)，六度抗震設(shè)防，設(shè)計(jì)使用年限為50年。

2.結(jié)構(gòu)梁柱尺寸的選取

[2]在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)梁的跨度來估算梁截面高度，然后再根據(jù)高寬比來估算其梁截面的寬度。一般在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中規(guī)定主梁的跨度一般在5～8m為宜，梁高取跨度的1/15～1/10;次梁的跨度一般在4～6m,梁高為跨度的1/18～1/12,梁寬取梁高的1/3～1/2。同時(shí)框架結(jié)構(gòu)中柱子的截面的尺寸是根據(jù)作用在柱上的負(fù)荷面積的大小柱子的軸壓比限制比來進(jìn)行計(jì)算。方案一（初始方案）運(yùn)用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算在本框架結(jié)構(gòu)中一層柱子尺寸取600*600，二至六層柱子尺寸取500*500。邊框梁截面尺寸為250*600，中間框梁的截面尺寸250*450,次梁的截面尺寸為250*450。方案二中只改變柱子的截面尺寸，保持梁的截面尺寸不變。一層柱截面尺寸變?yōu)?50*550，二層柱子尺寸變?yōu)?00*500,三至六層柱子的尺寸為450*450。方案三中柱子的尺寸保持不變，邊框架梁的尺寸變?yōu)?50*450，中間框梁截面尺寸保持不變。方案四中梁柱尺寸均改變，一層柱550*550，二層柱子尺寸變?yōu)?00*500，三層至六層截面為450*450，邊框梁的尺寸變?yōu)?50*450，少數(shù)跨度大框梁尺寸為250*500，中間框梁的尺寸保持不變.

3.計(jì)算結(jié)果分析

整個(gè)過程中采用PKPM2010V2.1版本進(jìn)行計(jì)算，分別對(duì)各種方案進(jìn)行SATWE-8計(jì)算。各參數(shù)指標(biāo)建立如下[3]：

（1）考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的振動(dòng)周期(秒)、X,Y方向的平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)周期大小與剛度的平方根成反比，與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的平方根成正比。周期大小與結(jié)構(gòu)在地震中的反應(yīng)有密切關(guān)系，否則會(huì)發(fā)生類共振。扭轉(zhuǎn)周期和平動(dòng)周期之比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標(biāo)，是結(jié)構(gòu)扭剛度、扭轉(zhuǎn)慣量分布大小的綜合反應(yīng)?？刂浦芷诒戎饕窍拗平Y(jié)構(gòu)的抗扭結(jié)構(gòu)剛度不能太弱，使結(jié)構(gòu)具有必要的抗扭剛度，減小扭轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，實(shí)質(zhì)上是控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形小于結(jié)構(gòu)的平動(dòng)變形。周期要求比不是要求結(jié)構(gòu)足夠結(jié)實(shí)，而是要求結(jié)構(gòu)剛度步局合理，以此控制結(jié)構(gòu)地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)激勵(lì)振動(dòng)效應(yīng)不成為主振動(dòng)效應(yīng)，避免結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞。通過四種方案的對(duì)比，結(jié)構(gòu)自震周期滿足相關(guān)規(guī)范的要求。同時(shí)四種方案結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與以平動(dòng)為主的第一自振周期之比均滿足《高規(guī)》第3.4.5條的規(guī)定，A級(jí)高度高層建筑不應(yīng)大于0.9.

（2）最小剪重比剪重比主要是限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)安全?？拐鹨?guī)范(5.2.5)條要求的結(jié)構(gòu)X向和Y向樓層最小剪重比=0.80%。通過SATWE-8計(jì)算可得第一方案的X向樓層最小剪重比為1.81%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.73%。第二方案的X向樓層最小剪重比為1.67%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.58%。第三方案的X向樓層最小剪重比為1.66%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.65%。第四方案的X向樓層最小剪重比為1.55%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.51%。均滿足規(guī)范的要求。

（3）剛重比剛重比是結(jié)構(gòu)剛度和重力荷載之比，它是控制結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的重要指標(biāo)。高層建筑的穩(wěn)定設(shè)計(jì)主要是控制在風(fēng)荷載或水平地震作用下，重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)不致太大，避免結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌。剛重比不滿足要求，說明結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)于重力荷載過??；但是剛重比過分大，則說明結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較差，宜適當(dāng)減少墻柱等豎向構(gòu)件的截面面積。第一種方案的X向的最小剛度比為31.79，Y向的最小剛度比為28.63。第二種方案的X向的最小剛度比為24.48，Y向的最小剛度比為21.90。第三種方案的X向的最小剛度比為28.44，Y向的最小剛度比為26.97。第四種方案的X向的最小剛度比為22.11，Y向的最小剛度比為20.40。四種方案的最小結(jié)構(gòu)剛重比均大于10，能夠通過高規(guī)（5.4.4）的整體穩(wěn)定驗(yàn)算。

（4）結(jié)構(gòu)其他指標(biāo)分析[4]經(jīng)過PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析軟件，結(jié)構(gòu)的其他指標(biāo)[5]如柱軸壓比，結(jié)構(gòu)位移比和層間位移角，剛度比，參與振動(dòng)質(zhì)量比等均滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求。

（5）梁板柱鋼筋和混凝土用量比較[5]利用SAT-S將第各方案的鋼筋量和混凝土量進(jìn)行計(jì)算，鋼筋以3700元/t計(jì)算，混凝土以255m3。在原始方案的初步設(shè)計(jì)下，第二方案通過改變柱子的截面尺寸，結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)降低了3%，第四方案結(jié)構(gòu)造價(jià)也降低了，但是降低的幅度不大。在各項(xiàng)指標(biāo)合理的情況下，優(yōu)先選用第二方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程造價(jià)的控制。

四.結(jié)語

本文通過對(duì)遼寧省錦州市的一個(gè)框架結(jié)構(gòu)錦州港項(xiàng)目四種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了對(duì)比，通過改變框架梁和柱的截面尺寸，通過PKPM2010V2.1大型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，得出在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求各項(xiàng)指標(biāo)的前提下，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求按照一定的模數(shù)減少框架柱和邊框梁的截面尺寸會(huì)使結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)降低，同時(shí)減少柱子尺寸也會(huì)降低工程造價(jià)，但是只減少柱子的尺寸結(jié)果比較明顯。因此在以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該合理選擇截面尺寸，這樣既可滿足結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，又能降低工程造價(jià)。只有這樣，才能設(shè)計(jì)出安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工的建筑物。

參考文獻(xiàn)

［1］賀楊，張永勝．高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化［J］．山西建筑，2012，38(5):34-35．

［2］中國建筑科學(xué)研究院（GB50010—2010）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011—2010)統(tǒng)一培訓(xùn)教材［M］.北京:地震出版社，2010.

［4］賈園，朱杰江.某小高層住宅樓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),工業(yè)建筑，2006，36.

［5］郝艷娥，蘭永強(qiáng).基于工程造價(jià)控制的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.低溫建筑技術(shù)，2014（02）（1-4）

作者：鄭君 單位：遼寧工業(yè)大學(xué)