淺談如何做好建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化工作

李國彪

引言：隨著建筑工程施工要求的不斷提升，對建筑框架結(jié)構(gòu)安全等級、抗震設(shè)防等級、耐火等級也有了新的要求，必須對建筑框架結(jié)構(gòu)主體及主體設(shè)計進行縝密計算，以此對框架結(jié)構(gòu)做出預(yù)防性的合理布局。本文以某建筑框架結(jié)構(gòu)工程為例，通過實例對提高框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法進行研討，為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計及實踐操作提供參考。

一、建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則

建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，要求在明確結(jié)構(gòu)安全等級、抗震標(biāo)準(zhǔn)、耐火等級等的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，確定框架設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。其基本原則包括計算性、全面性、預(yù)防性幾方面原則，以下作一一分析：

（一）計算性原則。由于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到抗震設(shè)防各種數(shù)據(jù)，無論是樓蓋的布置，還是場地土的改善，都需要對框架結(jié)構(gòu)相關(guān)的剛性數(shù)據(jù)、柔性數(shù)據(jù)等進行計算，譬如在設(shè)計抗震設(shè)防烈度8度剪力墻的時候，雙向梁柱剛接體系需要重點考慮垂直地震作用，因此從震害的視角分析，要通過縝密計算得出垂直作用力相關(guān)的數(shù)據(jù)，方可保證剪力墻滿足既定的抗震設(shè)防要求。

（二）全面性原則?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計具有復(fù)雜性的特征，涉及到框架梁、框架柱等設(shè)計內(nèi)容，因此在設(shè)計時需要對相對獨立的設(shè)計項進行統(tǒng)籌兼顧，譬如在設(shè)置大跨度雨棚時候，要根據(jù)梁中心線位置的負(fù)彎矩和跨度，考慮如何提高抗扭的水平，另外在設(shè)置框架梁和框架柱的時候，要根據(jù)梁截面的大小，對相應(yīng)構(gòu)建的配筋率進行計算。

（三）預(yù)防性原則?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計的最終目的是提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，預(yù)防地震等對結(jié)構(gòu)的破壞，為此在設(shè)計框架結(jié)構(gòu)的時候，要考慮各種可能影響結(jié)構(gòu)剛度的因素，譬如電梯梯井設(shè)置剛度較大的混凝土墻，但其他位置不設(shè)置剪力墻，為滿足伸縮縫的要求，需要通過配筋率加大、架空層鋪設(shè)等方式，做出結(jié)構(gòu)預(yù)防性的合理布局。

二、建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析

（一）工程基本概況。案例工程為4層的框架結(jié)構(gòu)住宅樓，工程擬設(shè)計的抗震設(shè)防烈度為6度，其中框架梁和框架柱以Q235鋼作為主材料，樓屋面則以鋼板和現(xiàn)澆混凝土形成層高3m、平均跨度6.4m的組織框架結(jié)構(gòu)。該建筑框架結(jié)構(gòu)至少能夠承受0.5kN/m2 的風(fēng)壓和雪壓，樓層結(jié)構(gòu)的活荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計值為2.0kN/m2。工程借助結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，在平面建?；A(chǔ)上，計算出框架結(jié)構(gòu)的強度計算應(yīng)力、平面內(nèi)外穩(wěn)定應(yīng)力、上翼緣受拉時截面最大應(yīng)力、下翼緣受拉時截面最大應(yīng)力、剪應(yīng)力等。

（二）工程設(shè)計依據(jù)?；诎咐こ袒靖艣r，工程根據(jù)實際確定了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)內(nèi)容，大致為：1）規(guī)范文件?？蚣芙Y(jié)構(gòu)設(shè)計以國家規(guī)范、現(xiàn)場勘察資料、業(yè)主提供設(shè)計意向書為規(guī)范文件，設(shè)計單位不得脫離這些規(guī)范文件基本要求范圍，并綜合工程現(xiàn)場的實際條件，結(jié)合現(xiàn)場情況展開設(shè)計工作。2）抗震條件。框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計，抗震等級、抗震設(shè)防烈度、場地情況等，將結(jié)構(gòu)劃分為四級抗震等級的結(jié)構(gòu)類型，其中一級抗震等級要求最為嚴(yán)格，是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心內(nèi)容。3）場地條件。其中包括施工現(xiàn)場土體的類型和等級，以及是否存在地下水和地基土凍結(jié)深度等。案例工程以此在地基處理方案中明確了持力層和地耐力特征值，并對結(jié)構(gòu)混凝土的材料等級、強度等級和耐久性等做出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)定。

三、結(jié)合該案例提出框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點建議

通過對以上案例工程的分析及該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基本數(shù)據(jù)的計算，我們要進一步根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)，并利用復(fù)形狀法對框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果進行優(yōu)化，具體有以下幾點建議：

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。首先，借助PKPM，TAM，SATWE 軟件，計算框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的強度、穩(wěn)定性、剛度等。在明確同個截面位置兩軸彎矩的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸線凈截面的模量、截面塑性發(fā)展系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗彎強度設(shè)計值，計算出結(jié)構(gòu)的抗彎強度。然后通過截面沿腹板平面作用的剪力、中和軸面積矩、毛截面慣性矩、腹板厚度、抗剪強度設(shè)計值，計算出結(jié)構(gòu)的抗剪強度。根據(jù)局部集中荷載、集中荷載增大系數(shù)、集中荷載假定分布長度，計算出局部承壓力。根據(jù)腹板同時產(chǎn)生的正應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，以及折算應(yīng)力強度設(shè)計值的增大系數(shù)等，計算出結(jié)構(gòu)的折算應(yīng)力。根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值和框架結(jié)構(gòu)梁的容許撓度值，計算出框架結(jié)構(gòu)的剛度，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，以及借助力學(xué)軟件。

（二）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計之前，需要對設(shè)計圖紙文件進行全面了解，以規(guī)范設(shè)計工作流程的細(xì)節(jié)性內(nèi)容，形成具有較強可行性的設(shè)計方案。在了解設(shè)計方案意圖的時候，除了需要掌握圖紙每項設(shè)計內(nèi)容的細(xì)節(jié)，還要根據(jù)圖紙的要求，以會審的方式解決相關(guān)的設(shè)計問題，避免這些問題對結(jié)構(gòu)設(shè)計效果的影響。案例工程的框架梁和框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)模式，在設(shè)計結(jié)構(gòu)體系的時候，要以整體性和抗震性作為結(jié)構(gòu)的功能目標(biāo)，但出于對現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程量因素的考慮，框架結(jié)構(gòu)所需的梁柱和樓板，均在施工現(xiàn)場進行預(yù)制裝配，即在施工現(xiàn)場對鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)進行焊接和拼裝，而某些特殊構(gòu)件可按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)委托工廠生產(chǎn)，以此作為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方式，不僅能夠提高框架結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震性能，而且能提高施工效率。

（三）利用復(fù)形法優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)果。復(fù)形法主要針對無約束優(yōu)化問題的求解，具有適用范圍廣、簡單直接、出錯率低等優(yōu)點，在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可利用復(fù)形法對設(shè)計的結(jié)果進行優(yōu)化，主要分為主體優(yōu)化設(shè)計和分部優(yōu)化設(shè)計兩級：

1）框架結(jié)構(gòu)主體設(shè)計優(yōu)化。首先是框架結(jié)構(gòu)梁截面和結(jié)構(gòu)柱截面特性關(guān)系的建立，利用統(tǒng)計歸納的方法，在確定截面慣性矩、抵抗矩、截面面積的基礎(chǔ)上，根據(jù)截面慣性矩分析框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力分布情況，以及根據(jù)抵抗矩和截面面積確定框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小。其次是鋼架結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)化，涉及到的因素包括設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、計算模型，其中設(shè)計變量與框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的慣性矩有關(guān)，由框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的數(shù)量決定，而目標(biāo)函數(shù)則根據(jù)梁跨度、柱高度等已知的定值，用于表示框架結(jié)構(gòu)的重量函數(shù)。最后是結(jié)構(gòu)梁柱截面慣性矩的優(yōu)化設(shè)計，可借助之前構(gòu)建的計算模型，利用復(fù)形法編制的分析程序，確定最優(yōu)的截面慣性矩。2）框架結(jié)構(gòu)分部設(shè)計優(yōu)化。首先是結(jié)構(gòu)梁優(yōu)化計算模型，即根據(jù)翼緣截面、寬度、厚度和腹板高度、厚度，對截面形式進行描述，然后根據(jù)梁的抗剪強度條件、穩(wěn)定性條件、界限約束等約束條件，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)。其次是結(jié)構(gòu)柱優(yōu)化計算模型，即根據(jù)截面翼緣寬度、厚度和腹板高度、厚度，確定需要優(yōu)化的設(shè)計變量，以及根據(jù)結(jié)構(gòu)柱的局部穩(wěn)定性、界限約束等約束條件，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

結(jié)語

通過以上案例綜合分析，我們要針對建造項目的基本數(shù)據(jù)進行合理及縝密的計算，通過綜合考慮得出最佳優(yōu)化方案，另外還要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，把好施工現(xiàn)場，保證施工質(zhì)量才可以有效的把建造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案落實到實處，進一步提高建筑項目的工程質(zhì)量和經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]郭文娟.多層房屋建筑框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報.2013（20）.

[2]張騰元.試論框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的力學(xué)問題[J].科技致富向?qū)?011年29期.

[3]于橋.建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計原則及存在問題和解決措施[J].山西建筑.2012（26）.

（作者單位：高州市建筑設(shè)計院）