鋼筋混凝土的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

【摘要】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其突出的耐久性、適用性、以及受力性優(yōu)勢(shì)而在當(dāng)前的高層建筑中得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)方案在設(shè)計(jì)上相對(duì)比較保守，存在一定的局限性，因此有待在滿足結(jié)構(gòu)使用要求的前提下，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文章即圍繞鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的問題展開探討與分析，望能夠引起本行業(yè)工作人員的重視。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；鋼筋混凝土；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

在當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平不斷發(fā)展的背景下，為了緩解矛盾突出的建筑施工與城市用地問題，高層建筑的建設(shè)比例不斷增加。高層建筑層高多，整體高度大，且當(dāng)前建筑規(guī)范中對(duì)建筑工程的使用年限有較長(zhǎng)要求，故而必須通過建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，更好的發(fā)揮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢(shì)，通過對(duì)一系列技術(shù)手段的綜合應(yīng)用，得到最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以保障鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體安全性與穩(wěn)定性。

1 鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)概述

在高層建筑項(xiàng)目當(dāng)中，鋼筋混凝土是最為常見的結(jié)構(gòu)形式之一。在對(duì)高層建筑項(xiàng)目結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為了最大限度的發(fā)揮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，增加結(jié)構(gòu)耐久性與穩(wěn)定性水平，就需要采取各種方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。在鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個(gè)方面的基本原則：

第一，優(yōu)化設(shè)計(jì)的安全性原則。當(dāng)前我國所建設(shè)建筑項(xiàng)目使用壽命多以70年為目標(biāo)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)以滿足使用年限的要求為前提，加強(qiáng)各方面的設(shè)計(jì)方案，在使用年限內(nèi)最大限度的保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性，確保結(jié)構(gòu)方案能夠應(yīng)對(duì)各種突發(fā)性狀況。

第二，優(yōu)化設(shè)計(jì)的耐久性原則。在建筑項(xiàng)目的使用年限內(nèi)，高層建筑項(xiàng)目必須具備一定的耐久性水平，此方面的要求是使建筑結(jié)構(gòu)的整體承載力水平能夠達(dá)到規(guī)范所要求限度，對(duì)結(jié)構(gòu)自重有良好的承載能力。

第三，優(yōu)化設(shè)計(jì)的適用性原則。建筑結(jié)構(gòu)中使用鋼筋混凝土的適用性原則要求在建筑結(jié)構(gòu)的使用年限范圍內(nèi)，高層建筑的結(jié)構(gòu)功能完整且穩(wěn)定，能夠?yàn)榫幼≌咛峁└黜?xiàng)所需的功能，同時(shí)兼顧抗震、抗裂縫、以及抗變形的能力，不出現(xiàn)功能方面的問題。

2 如何優(yōu)化高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

從結(jié)構(gòu)平面布置的角度上來說，推薦選擇的結(jié)構(gòu)布置方案有兩種類型，分別為基于豎向荷載作用力傳至柱的結(jié)構(gòu)布置形式，以及基于縱橫雙向框架梁均勻承重的結(jié)構(gòu)布置形式。其中，前者強(qiáng)調(diào)荷載傳輸路徑的最短化，在該方案下，要求框架梁以及框梁柱等結(jié)構(gòu)的布置位置以上下層墻體對(duì)齊軸線為首選方案，以確保墻體荷載能夠通過框架梁傳輸至框架柱內(nèi)。而在次梁布置時(shí)，則需要盡可能的縮短屋面恒活在相對(duì)于框架梁的傳力路線長(zhǎng)度，進(jìn)而起到控制梁體布置數(shù)量的目的。而后者所強(qiáng)調(diào)的則是實(shí)現(xiàn)縱向與橫向框架梁結(jié)構(gòu)的均勻承重，以提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力，并且可以使柱截面大小更加的合理與穩(wěn)定。

下圖（如圖1所示）為高層建筑中一種比較理想的次梁布置形式，該結(jié)構(gòu)方案中橫向側(cè)梁均設(shè)置為一級(jí)側(cè)梁，沿內(nèi)走廊墻下側(cè)梁則設(shè)置為二級(jí)側(cè)梁，若將圖1中A軸～B軸跨次梁調(diào)整為沿縱向居中布置的方案，會(huì)導(dǎo)致邊柱一級(jí)頂層角柱受壓水平一級(jí)配筋量的增大，可能使頂層柱截面尺寸形成為控制截面尺寸。

圖1：次梁結(jié)構(gòu)布置方案示意圖

2.2 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算

高層建筑項(xiàng)目鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，若結(jié)構(gòu)填充墻體所使用材料為砌體材料，則在對(duì)周期進(jìn)行計(jì)算時(shí)，折減系數(shù)的取值應(yīng)當(dāng)調(diào)整為0.6～0.7區(qū)間；若結(jié)構(gòu)填充墻體材料為輕質(zhì)砌塊材料，墻體材料用量相對(duì)較低，周期計(jì)算中對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算的折減系數(shù)取值應(yīng)當(dāng)以0.7～0.8為取值區(qū)間；而針對(duì)以輕質(zhì)墻板為材料的填充墻體而言，在周期計(jì)算中折減系數(shù)的推薦取值為0.9。

還需要注意的一點(diǎn)是，在對(duì)頂蓋結(jié)構(gòu)以及建筑框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，由于結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度水平會(huì)因填充墻的設(shè)置而產(chǎn)生提高，可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際剛度>設(shè)計(jì)剛度的情況，導(dǎo)致計(jì)算周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)際周期，這也就意味著計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)剪力水平<實(shí)際結(jié)構(gòu)剪力水平，對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)安全性有不良影響。故而，就要求在建筑結(jié)構(gòu)周期的計(jì)算中適當(dāng)折減計(jì)算周期，以提高計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，確保結(jié)構(gòu)性能安全。

2.3 優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為影響整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的重要因素之一，可以結(jié)合高層建筑的實(shí)際需求以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與優(yōu)化。例如，可以對(duì)主樓與裙樓基礎(chǔ)進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，根據(jù)前期地質(zhì)勘探資料，對(duì)主樓與裙樓采取不同的基礎(chǔ)方案，基礎(chǔ)底板或樁基承臺(tái)要按照經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果設(shè)置，不得隨意增加厚度或加大鋼筋。例如在地下室基礎(chǔ)的初步設(shè)計(jì)工作中，原初步設(shè)計(jì)地下室基礎(chǔ)擬全部采用筏板基礎(chǔ)，經(jīng)審核計(jì)算后，提出純地下室基礎(chǔ)部分采用獨(dú)立基礎(chǔ)加抗浮底板及抗浮錨桿的做法能做到節(jié)約鋼筋、混凝土。同時(shí)保證結(jié)構(gòu)安全，施工簡(jiǎn)便，能達(dá)到更加節(jié)省工程成本目的。故而，以地下室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為例，可以采取增加抗浮錨桿的措施對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)語

高層建筑是當(dāng)前建筑工程領(lǐng)域最為主要的建筑形式之一，由于其高度較高，故而對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐久性有非常嚴(yán)格的要求。在當(dāng)前的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中，最常用的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。有關(guān)研究中分析認(rèn)為，高層建筑結(jié)構(gòu)功能的影響因素眾多，包括環(huán)境、人員、技術(shù)等。在結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，必須以安全性、耐久性、以及適用性為基本原則，從結(jié)構(gòu)方案、建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案這些方面進(jìn)行優(yōu)化，以保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、耐久。

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