淺談結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李靜 言景 楊虹

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理化,從而實(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(jià)。

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(gè)問題:1)滿足建筑功能要求。一般商場(chǎng)、車站、展覽館、餐廳、停車場(chǎng)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—剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—核心筒結(jié)構(gòu)較多。2)按結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。對(duì)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(chǎng)地類別、結(jié)構(gòu)材料和施工技術(shù)條件等因素初步選擇結(jié)構(gòu)體系[1]。

同時(shí)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(jì)算簡(jiǎn)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(gè)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?cè)黾咏Y(jié)構(gòu)截面尺寸來加大剛度,有時(shí)會(huì)適得其反,如果配筋構(gòu)造等措施沒有相應(yīng)跟上,反而會(huì)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(zhǎng)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,可以充分發(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(jìng)技館[2]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(gè)交叉的鋼筋混凝土斜拱上,斜拱受壓。

再如,對(duì)現(xiàn)澆板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的選用。

由混凝土規(guī)范[3]對(duì)板類構(gòu)件的最小配筋率規(guī)定(ρmin=0.45ft/fy且不小于0.20%)可知,配筋率隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大,隨鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的提高而減小,因此,當(dāng)板類構(gòu)件的配筋由最小配筋率控制時(shí),過高的混凝土強(qiáng)度等級(jí)會(huì)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(jí)鋼筋時(shí)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(jí)不宜選擇過高,比較合適的混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jià)格,而是其強(qiáng)度價(jià)格比,即每元可購買的單位鋼筋的強(qiáng)度。強(qiáng)度價(jià)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(jí)或HRB335級(jí)鋼筋,而不宜選擇HPB235級(jí)鋼筋。這兩類鋼筋除強(qiáng)度較高外,延性及錨固性能也好,無需像HPB235級(jí)鋼筋那樣,為滿足粘結(jié)力要求末端還要加彎鉤。但是,采用HRB400級(jí)或HRB335級(jí)鋼筋做板的受力鋼筋時(shí),對(duì)大跨度板應(yīng)進(jìn)行最大裂縫寬度、撓度的驗(yàn)算[1]。

4 正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)算理論和設(shè)計(jì)程序都是建立在一些假定和理想的計(jì)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(jì)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(duì)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(jì)的正確。

例如,某工程頂層水箱下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300 mm厚,翼緣較遠(yuǎn),墻壁根本承受不了支座彎矩,而電腦軟件則將整體井筒作為一個(gè)薄壁構(gòu)件來計(jì)算,剛度很大,所以能承受很大的彎矩,這就是計(jì)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)件而剛度增加時(shí),就不是鉸接,結(jié)果自然是錯(cuò)誤的[4]。其次,還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)計(jì)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(shí)填充墻實(shí)際上也受力。無論是強(qiáng)度和剛度相對(duì)較高的磚墻,還是相對(duì)“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(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)生較大的影響。同時(shí),填充墻對(duì)主體結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性也有較大影響。結(jié)構(gòu)周期為結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)中重要的參數(shù)之一,目前在工程計(jì)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(duì)計(jì)算周期進(jìn)行折減,若折減系數(shù)選取偏大,會(huì)使計(jì)算地震力小于實(shí)際的地震力,造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于不安全,反之則不經(jīng)濟(jì)。

5 樹立概念設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)中,任何構(gòu)件的超強(qiáng)設(shè)計(jì)都不會(huì)影響整體結(jié)構(gòu)的安全,但在抗震設(shè)計(jì)中,某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng),就可能造成結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱部分。因此,在設(shè)計(jì)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[5]。

在“汶川地震”中發(fā)現(xiàn):對(duì)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(jì)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(jì)人員為了結(jié)構(gòu)的安全,以為梁的配筋越多安全儲(chǔ)備就越好,盲目地增加配筋量,從而實(shí)配鋼筋遠(yuǎn)大于計(jì)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(jià)。

因此,要有正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念。一方面,應(yīng)適當(dāng)考慮現(xiàn)澆樓板中的鋼筋對(duì)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(jì)算程序在強(qiáng)柱弱梁的計(jì)算中留有開關(guān),以便設(shè)計(jì)人員可根據(jù)樓板負(fù)彎矩鋼筋的實(shí)際配置情況,對(duì)用于強(qiáng)柱弱梁驗(yàn)算的梁端組合負(fù)彎矩設(shè)計(jì)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(duì)梁端負(fù)彎矩鋼筋不應(yīng)超配(控制實(shí)配鋼筋不超過計(jì)算鋼筋面積,一般情況下,可取實(shí)配鋼筋面積為0.95倍～1.0倍的計(jì)算鋼筋面積);對(duì)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10%以內(nèi))[6]。

6 結(jié)語

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以期獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理化,一直是每個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)算、樹立概念設(shè)計(jì)理念等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述,對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的價(jià)值。

[1]徐 建.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常見及疑難問題解析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:111-115.

[2]江見鯨,郝亞民.建筑概念設(shè)計(jì)與選型[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:248-249.

[3]GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]史有濤.論結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué),2006(6):74-77.

[5]胡慶昌.建筑結(jié)構(gòu)抗震減震與連續(xù)倒塌控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007:2-5.

[6]朱炳寅.影響強(qiáng)柱弱梁的主要因素及設(shè)計(jì)對(duì)策[J].建筑結(jié)構(gòu)·技術(shù)通訊,2008(7):12-15.

[7]趙麗清.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2007,33(14):68-69.