混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策分析

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1、混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策分析　　摘要：隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地興建的高層建筑數(shù)量日益增多，當(dāng)今正是建設(shè)“節(jié)約型”社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)于我國量大面廣的混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低工程成本，這個(gè)問題越發(fā)受到業(yè)界的關(guān)注和重視。　　關(guān)鍵詞：建筑混凝土結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)思路；研究　　引言　　國內(nèi)外學(xué)者在構(gòu)件優(yōu)化方面已經(jīng)進(jìn)行過很多的研究工作，但到目前為止仍沒有一個(gè)滿足各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條件，符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣，盡可能接近最優(yōu)解，能夠適用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟的數(shù)學(xué)模型。盡管如此，但有一個(gè)觀點(diǎn)還是比較明確的，

2、也是大多數(shù)學(xué)者所贊同的，那就是：當(dāng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力都達(dá)到最大承載力時(shí)，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。當(dāng)然，要想各個(gè)構(gòu)件都能如愿的在同一時(shí)間發(fā)揮出所有潛能是很困難的，往往現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中是不可能辦到的。但是，設(shè)計(jì)者可以以此為目標(biāo)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)盡可能的接近最優(yōu)解，從而達(dá)到降低造價(jià)的最終目的?！　?.工程實(shí)例　　1.1工程概況　　某商住樓，剪力墻結(jié)構(gòu)，6度設(shè)防，修正后的基本風(fēng)壓為0.4kN/m2；地下1層，地上32層，嵌固端可取地下室頂板處；地下室層高為3.9m，首層層高為7.1m，2層層高為3.6m，其余各

3、層層高均為2.9m，優(yōu)化前的住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖。　　1.2問題的提出和優(yōu)化方法　　1.2.1一般地，l/Bmax=7100/18900=0.376>0.35，規(guī)則性判斷為平面不規(guī)則類型中的凹凸不規(guī)則，同時(shí)經(jīng)初步計(jì)算，在盡可能加長墻肢的情況下，即使首層墻厚取400mm，亦無法滿足側(cè)向剛度比的要求，豎向不規(guī)則類型判斷為側(cè)向剛度不規(guī)則。顯然，該工程已有兩項(xiàng)超出規(guī)則性的要求，需按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010中第3.4.4條的要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震

4、構(gòu)造措施。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，若不優(yōu)化平面形狀，盲目采取加強(qiáng)措施，必然會(huì)增加成本造價(jià)。由于在建筑平面的中部增加部分樓板對(duì)建筑功能的使用和立面的影響較小，經(jīng)多方協(xié)商，發(fā)展商同意修改，修改后的平面布置。但對(duì)首層商業(yè)區(qū)降低層高的建議因牽連過多，最后決定維持不變。　　1.2.2分析建筑圖的剪力墻布置，核心筒位置的墻體布置似乎偏多，剛度偏大。經(jīng)建模初算，其部分計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。由表中數(shù)據(jù)分析可知，結(jié)構(gòu)平面布置中的核心筒處，其剪力墻數(shù)量有消減的余地。適當(dāng)消弱結(jié)構(gòu)中部的剛度，除了對(duì)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有利外，還可以降

5、低成本造價(jià)。假設(shè)所有墻厚均為200mm，僅削去核心筒處的部分墻體，就可減少混凝土用量：0.96×（3.9+7.1+3.6+30×2.9）≈124.2m3以及扣除原有墻體內(nèi)的大量鋼筋，其經(jīng)濟(jì)性是十分可觀的。另外，該工程為高層建筑，核心筒以外的其它墻肢，其長度可每隔5～7層縮短一次，但應(yīng)檢查控制值（如位移比、軸壓比等）是否滿足規(guī)范要求和確保墻肢長度大于墻厚的8倍，避免墻體演變?yōu)槎讨袅Α！　?.2.3板中受力鋼筋不同強(qiáng)度等級(jí)的使用比較。該工程大部分板塊的板跨都不大，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)基本為構(gòu)造配筋，即由最小

6、配筋率控制，而最小配筋率與鋼筋強(qiáng)度等級(jí)直接相關(guān)。該工程標(biāo)準(zhǔn)層的梁板砼強(qiáng)度等級(jí)采用C25，對(duì)比如下：　　一級(jí)鋼：ρmin=max{0.2%，0.45ft/fy}　　=0.27%　　三級(jí)鋼：ρmin=max{0.2%，0.45ft/fy}　　=0.20%　　2.總結(jié)優(yōu)化方法和途徑　　2.1形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，平面長度不宜過長，突出部分長度不宜過大；L、l等值宜滿足要求；高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外

7、挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。相信大部分的結(jié)構(gòu)工程師都曾遇過類似情況：當(dāng)一幢高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置簡單、規(guī)則、均勻，那么其各項(xiàng)指標(biāo)的校核驗(yàn)算會(huì)很容易滿足規(guī)范的要求，反之，則需花一番苦功才能令各項(xiàng)指標(biāo)勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求。結(jié)果可能是墻柱截面尺寸大得驚人，單位面積重量嚴(yán)重超標(biāo)，不僅造價(jià)上去了，而且還影響部分建筑功能的使用。筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要注重概念設(shè)計(jì)，在建筑方案階段就應(yīng)積極介入，運(yùn)用自己的專業(yè)知識(shí)提出建議，在滿足美觀、適用的前提下

8、，盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置簡單、規(guī)則和均勻。這樣一來，結(jié)構(gòu)體系就會(huì)具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。只有這樣，到擴(kuò)初設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段的截面尺寸優(yōu)化才會(huì)有實(shí)質(zhì)性的意義?！　?.2剪力墻的平面布置主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：　　（1）在結(jié)構(gòu)平面布置中，在滿足建筑功能的基礎(chǔ)上，剪力墻宜沿周邊均勻、相對(duì)集中布置。在建筑物的樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位宜布置剪力墻，其間距不宜過大。（2）剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻