混凝土建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計思路研究

1、<p>　　混凝土建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計思路研究</p><p>　　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”社會的關(guān)鍵時期，對于我國量大面廣的混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,降低工程成本,這個問題越發(fā)受到業(yè)界的關(guān)注和重視。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：建筑混凝土結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計思路；研究 </p><p>　　中圖分類

2、號：TV331文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號： </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　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滿足各種結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范條件,符合設(shè)計人員習(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)計的成熟的數(shù)學(xué)模型。盡管如此,但有一個觀點(diǎn)還是比較明確的,也是大多數(shù)學(xué)者所贊同的,那就是:當(dāng)結(jié)構(gòu)的各個構(gòu)件

3、的內(nèi)力都達(dá)到最大承載力時,即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。當(dāng)然,要想各個構(gòu)件都能如愿的在同一時間發(fā)揮出所有潛能是很困難的,往往現(xiàn)實設(shè)計中是不可能辦到的。但是,設(shè)計者可以以此為目標(biāo)來優(yōu)化設(shè)計,讓設(shè)計盡可能的接近最優(yōu)解,從而達(dá)到降低造價的最終目的。 </p><p><b>　　1.工程實例 </b></p><p><b>　　1.1工程概況 </b><

4、;/p><p>　　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,其余各層層高均為2.9m,優(yōu)化前的住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖。 </p><p>　　1.2問題的提出和優(yōu)化方法 </p><p>　　1.2.1一般地,l/Bmax=7100/18

5、900=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,同時經(jīng)初步計算,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,本工程已有兩項超出規(guī)則性的要求,需按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010中第3.4.4條的要求進(jìn)行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整,并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。根據(jù)以往的經(jīng)驗,若不優(yōu)化平面形狀,盲目采取加強(qiáng)措施,

6、必然要付出沉重的經(jīng)濟(jì)代價,甚至?xí)Α翱刂瞥杀?降低造價”造成致命的打擊。由于在建筑平面的中部增加部分樓板對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。 </p><p>　　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

7、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,除了對控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有利外,更直接的效果就是降低造價。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,本工程為高層建筑,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

8、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?</p><p>　　1.23板中受力鋼筋不同強(qiáng)度等級的使用比較。本工程大部分板塊的板跨都不大,計算后發(fā)現(xiàn)基本為構(gòu)造配筋,即由最小配筋率控制,而最小配筋率與鋼筋強(qiáng)度等級直接相關(guān)。本工程標(biāo)準(zhǔn)層的梁板砼強(qiáng)度等級采用C25,對比如下: </p><p>　　一級鋼:ρmin=max{0.2%,0.45ft/fy} &l

9、t;/p><p><b>　　=0.27% </b></p><p>　　三級鋼:ρmin=max{0.2%,0.45ft/fy} </p><p><b>　　=0.20% </b></p><p>　　2.總結(jié)優(yōu)化方法和途徑 </p><p>　　2.1形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有

10、意義在高層建筑的一個獨(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,那么其各項指標(biāo)的校核驗算會很容易滿足規(guī)范的要求,反之,則需花一番苦

11、功才能令各項指標(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)計人員一定要注重概念設(shè)計,在建筑方案階段就應(yīng) </p><p>　　積極介入,運(yùn)用自己的專業(yè)知識提出建議,在滿足美觀、適用的前提下,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

12、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)計和施工圖設(shè)計階段的截面尺寸優(yōu)化才會有實質(zhì)性的意義。 </p><p>　　2.2剪力墻的平面布置主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn): </p><p>　　(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,剪力墻宜

13、沿主軸方向或其他方向雙向布置,抗震設(shè)計的剪力墻結(jié)構(gòu),應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。(3)剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則,剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不宜過大。(4)設(shè)計中應(yīng)注意盡量減少短肢剪力墻的數(shù)量,不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　3.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的對策分析 </p><p>　　3.1建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)分析 </p><p>

14、　　每項建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計都受到了多項客觀目標(biāo)的影響，而且這些目標(biāo)往往以降低其他目標(biāo)的要求為代價。而建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化，首當(dāng)其沖就要考慮一種最為合理的方案，使這些相互矛盾的客觀目標(biāo)之間達(dá)到一定的平衡。 </p><p>　　3.2建筑結(jié)構(gòu)選型分析 </p><p>　　第一建筑結(jié)構(gòu)體系選型與建筑施工的關(guān)系 </p><p>　　高層建筑施工工藝的不同,不僅會影響到材

15、料消耗、勞動力、工期及造價等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),而且也會影響到建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),抗震性能等。所以在高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型時就要對施工工藝連同其它因素加以權(quán)衡,綜合考慮?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的造價主要包括材料、模板及施工三部分。 </p><p>　　第二建筑結(jié)構(gòu)抗震體系選定的原則 </p><p>　　(1)具有明確的計算簡圖和合理的地震力傳遞路線;(2)具備多道抗震防線,不會因部分結(jié)構(gòu)或

16、構(gòu)件失效,而導(dǎo)致整個體系喪失抗側(cè)力或承受重力荷載的能力;(3)具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力,從而使結(jié)構(gòu)體系遭遇地震時具有足夠的防倒塌能力;(4)沿水平和豎向結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度分布均勻,或按需要合理分布,避免出現(xiàn)局部削弱或突變,形成薄弱環(huán)節(jié),從而防止地震時出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中的危險。 </p><p>　　3.3 建筑中混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析 </p><p>　　確保

17、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在高層建筑的一個獨(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;高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻,避免有過大的外挑和內(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)。 </p><p>　　3.4 高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析 </p><p>　　建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性包含非常廣泛的內(nèi)容。例如傳統(tǒng)中只

18、強(qiáng)調(diào)改進(jìn)建筑材料保溫性、改善建筑體形系數(shù)、提高建筑材料的氣密性等一系列節(jié)能降耗措施,現(xiàn)在建筑隨著形勢的發(fā)展,人們對居住環(huán)境不僅從結(jié)構(gòu)性出發(fā),更要在建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性角度考慮,如空間組織、技術(shù)組織、結(jié)構(gòu)設(shè)置、能源與資源利用,以及建筑循環(huán)再利用等方面全面地確立經(jīng)濟(jì)性的原則、方法。 </p><p>　　3.5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的理論分析 </p><p>　　在從事工程項目和結(jié)構(gòu)的設(shè)計時

19、,除了要考慮設(shè)計對象的基本使用功能及安全可靠性外。還應(yīng)該考慮到把它設(shè)計對象設(shè)計得盡可能完美。這就是工程和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化問題。用科學(xué)的語言來描述就是:利用確定的數(shù)學(xué)方法,在所有可能的設(shè)計方案的集合中,搜索到能夠滿足預(yù)定目標(biāo)的、最令人滿意的方案。 </p><p><b>　　4.結(jié)語 </b></p><p>　　根據(jù)自己多年的設(shè)計經(jīng)驗并結(jié)合工程實例對高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的

20、優(yōu)化設(shè)計提出的見解。優(yōu)化設(shè)計,關(guān)鍵是要有整體和局部的概念,要從整體入手,落實到局部,整體和局部“兩手抓” </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　1.蘇賜欽.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計探析[J].黑龍江科技信息,2010,(20). </p><p>　　2.劉洋,程偉剛.高強(qiáng)混凝土在實際工程中的應(yīng)用[J].黑