结构优化设计经验

谈结构优化设计的一些经验

结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验，参考了相关文献，给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施，供设计人员参考。
1结构优化设计的步骤
    笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：①在方案阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求，使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内，避免抗震审查，为降低含钢量争取主动权；②在初步设计阶段，通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量；③在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；④在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢量。
    在进行多方案的技术经济性比较时，应综合考虑材料费、模板费、基坑开挖降水支护费用、措施费、施工难易、工期长短等因素，与甲方协商后择优选用。
2结构体系与布置优化
    结构体系和布置对造价影响很大，应予重视。
    1)应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用后者。
    2)应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。
    3)应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理，从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大，柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如，住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。

 4)应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体造价比重高，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济，应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的1／35，单向板宜控制在短跨的1／30，此时板易满足强度和变形要求，经济性好。
    5)剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。
    6)降低含钢量的小技巧：①楼电梯间不宣布置在房屋端部或转角处。因其空间刚度较小，设在端部对抗扭不利，设在转角处应力集中。②框架结构层刚度较弱时，加大柱尺寸或梁高都可显著增大层刚度，而提高混凝土强度效果不明显。③柱的截面尺寸，多层宜2层～3层调整一次，高层宜结合混凝土强度的调整每5层～8层调整一次。④多层框架结构位移超标时，可布置少量剪力
墙使其满足要求。此时仍按框架结构确定抗震等级，剪力墙抗震等级可为三级且不设底部加强区，同时框架部分还宜满足不计入剪力墙时框架的承载力要求。⑤剪力墙的窗下墙尽量用填充墙，可延长周期并节约造价。⑥剪力墙结构仅少量墙肢不落地、做框支转换且其负荷面积占楼层面积范围很小时(≤10％)，可按仅个别构件转换考虑，不必把整个层都作为转换层。⑦填充墙的上下在不影响美观和使用的情况下尽可能设梁。分隔墙下可不设梁，配筋上加强即可。⑧外挑阳台挑出长度大于1．2m时优先考虑梁板式受力体系。⑨梁的截面尽量按正常截面取，少做宽扁梁，配筋率也应控制在1．5％以内。⑩尽量避免梁宽≥350mm，否则箍筋按构造要求需采用4肢箍，造成箍筋用量增加。(11).楼梯构件，梯板跨度大于3m或活载较大时，优先考虑梁式楼梯。(12).爹建筑构件，包括装饰构件，优先采用钢筋混凝土结构。
3材料优化

  材料自重对结构受力影响较大，应尽量选用轻型材料。如填充墙、隔墙采用轻质材料，可显著减轻自重，降低含钢量。
    混凝土价格相对便宜，可适当提高混凝土强度等级以减少钢筋用量，但混凝土强度等级越高越容易开裂，所以也不能太高。一般建议梁板混凝土等级取C30，墙柱混凝土等级取C25—弭O(断面与标号间取最优值)，转换层水平构件取C40，非承重构件取C20，基础取C30,--C35，垫层取C15。一般楼层越高受力越小，故混凝土强度等级宜从下到上逐渐减小。为便于施工，同一楼层各构件最好采用同一等级混凝土。
关于钢筋的优化，将在配筋设计部分论述。
4荷载优化
    荷载输入值的计算是否准确，关系到整个工程的含钢量是否正常。荷载的计算应尽量精确，做到不漏算、不重算、不多算、不错算。荷载取值应严格按照最新版荷载规范取用，不要擅自放人。对于一些特殊功能的建筑，应会同甲方共同测算荷载的取值。
    填充墙上门窗开洞面积较大时，应扣洞口部分的重量。地面、楼面、屋面、填充墙、隔墙、构架、线条等恒载取值应按建筑做法和大样详细计算。
    对于GB 50009-2001第4．1．2条所列可折减的项目，应严格按所列系数折减，尤其是消防车活载。
    通过检查PKPM总信息中单位面积质量数值可以判断出荷载输入是否正常。一般设计较合理的住宅结构，单位面积的荷载标准值为：框架结构1 lkN／m2~13 kN／m2，框剪结构13 kN／m2~16 kN／m2，剪力墙结构14kN／m2~18kN／m2。
5设计参数优化
    设计参数直接影响着含钢量的变化，因此必须弄清楚每个参数的内涵，正确地选用。笔者总结经验、参考文献后给出以下建议：
    1)普通柱按单偏压计算，双偏压校核，异型柱才按双偏压计算。按双偏压计算时柱钢筋用量显著增加。
    2)偶然偏心和双向地震不同时考虑。考虑双向地震影响会使结构用钢量增加。一般较规则的结构，扭转效应较小，可只计算单向地震力(考虑偶然偏心影响)，不考虑双向地震影响。但如果结构的质量和刚度分布明显不对称、扭转严重时，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。如何判断结构是否扭转严重，作者赞同文献[3】的看法，即当楼层最大弹性水平位移(或层间位移)与该层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的比值A级高度大于1．4、B级高度或复杂高层大于1．3时，可认为结构扭转比较明显，需要考虑双向地震作用。多层结构参考高层取值。

当结构扭转位移比超限时，可通过以下措施作调整：①调整平面布置，使质心与刚心尽量接近；②加强结构外边一圈构件刚度，提高抗扭能力；③加大墙、柱、梁截面，改变层间刚度与楼层刚度比；④改变墙、柱的方向，使x、y向刚度接近，尽量使位移比小于1．3，这样就不用考虑双向地震作用了。
    3)计算位移角时可不考虑偶然偏心，有利于满足规范限值要求，见《高层建筑混凝土结构技术规程》ts]4．6．3条。
    4)竖向构件考虑活荷载折减，可降低用钢量。反映在PlUM计算参数中就是：柱、墙和传到基础的活荷载在SATWE中折减(在PM中一般不折减)。
    5)梁柱重叠部分考虑刚域影响，可降低梁的配筋，不考虑刚域影响时梁负筋应按柱边弯矩配筋。
    6)梁设计弯矩放大系数及配筋放大系数取1．0。楼面本身荷载和梁荷均已经乘以大于1的分项系数，梁计算中即使不放大也已经存在安全储备，没有必要再对弯矩放大系数及配筋放大系数进行放大。在后期施工图设计时再针对薄弱的部分比如悬挑梁等进行适当的放大，提高其安全储备。
    7)梁刚度放大系数，中梁宜取2．0，边梁宜取1．5。梁刚度放大系数主要反映现浇楼板作为梁的有效翼缘对楼面梁刚度的贡献。由于刚度大小直接影响内力分配，不考虑该系数将使梁配筋偏小，考虑不当会使构件配筋不准确，都不利于结构安全。
    8)周期折减系数直接影响到竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成结构刚度过大，吸收的地震力也增大，最后导致墙柱配筋增大。周期折减系数应根据填充墙实际分布情况慎重选择，纯剪力墙结构自振周期可以不折减(取1．O)。
    9)PKPM中如次梁单独输入，则PKPM默认对次梁不调幅，此时应将其改为“调幅梁”，可节约部分钢筋。
    10)剪力墙连梁跨高比大于5时，受力特征己变成受弯为主，应按框架梁输入并且不能定义为连梁。当梁一端与剪力墙平面外相接时不论跨高比为多少都不应定义为连梁。
    11)减小结构扭转可降低用钢量，故应尽力调整计算模型使最大位移与层平均位移之比、最大层问位移与平均层间位移之比小于1．3，并使第一、第二振型为平动，第一扭转周期与第一平动周期之比小于0．85。
    12)楼层层间最大位移与层高之比△u／h比规范限值略小即可，且两个主轴方向位移角计算结果越接近越好。如框架结构位移角限值为1／550，实际结构X、y向最大层间位移角为1／(560,---,580)时较经济。结构越刚，地震反应越大，含钢量越高，延性越差。另外，各个楼层之间的弹性位移角最好均匀变化，不要突变。