多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計(jì)的優(yōu)化與應(yīng)用分析

劉振江

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平和生活質(zhì)量的提升，人們對生活質(zhì)量的要求也逐漸提高，建筑行業(yè)日漸興盛。而多層鋼結(jié)構(gòu)住宅成為現(xiàn)代建筑的主要應(yīng)用形式，并有很大的發(fā)展前景。多層鋼結(jié)構(gòu)不僅節(jié)省了建筑成本，還美化了建筑外觀，滿足了現(xiàn)代人們的需要。但是，由于我國多層鋼結(jié)構(gòu)起步晚，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大的差距，設(shè)計(jì)水平和施工技術(shù)還不成熟，還存在著一些問題。本文就多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)計(jì)的優(yōu)化與應(yīng)用進(jìn)行簡要的分析，并針對其存在的問題提出一些建議，希望對多層框架結(jié)構(gòu)未來的發(fā)展提供幫助。

關(guān)鍵詞：多層框架；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題對策

我國建筑行業(yè)的發(fā)展完善，對建筑材料的要求越來越高。我國作為鋼材料的使用大國，每年使用的鋼材料位于世界的首位，鋼材料的使用為鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)提供了巨大的發(fā)展機(jī)遇，也促進(jìn)了我國鋼結(jié)構(gòu)多層框架的發(fā)展，為鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋的設(shè)計(jì)使用是現(xiàn)在我居民住宅建設(shè)主要使用的方式之一，不僅節(jié)省了工程材料更使建筑更加的美觀，提升了居民的生存環(huán)境，為我國建筑行業(yè)的發(fā)展提供了更加廣闊的空間。下面本文就多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行進(jìn)一步的研究分析。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將力學(xué)概念與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，以計(jì)算機(jī)為工具，在滿足各種規(guī)范和規(guī)定的前提下，來研究結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的一種方法。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)更科學(xué)，其設(shè)計(jì)方案更為合理，能夠達(dá)到經(jīng)濟(jì)性與安全性的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

1.1概述

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上就是結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析與安全校核。它是由設(shè)計(jì)者根據(jù)自己的工程經(jīng)驗(yàn)通過自己的判斷，按設(shè)計(jì)要求來擬定出最初的設(shè)計(jì)方案然后對此方案進(jìn)行力學(xué)方面的計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)的安全。有時(shí)為了達(dá)到更合理的設(shè)計(jì)方案，往往需要修改初始方案的結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)件尺寸和材料選型，再進(jìn)行計(jì)算分析，直到得出各方面都比較滿意的結(jié)果。因此，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率不高，并且設(shè)計(jì)方案的好壞很大一部分都取決于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和水平，很有可能并不是最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。相對于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)把力學(xué)概念與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來，在滿足各種規(guī)范和規(guī)定的前提下，以變量的形式給出了部分參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的量，來完成結(jié)構(gòu)所有可能的設(shè)計(jì)方案。然后再借助于數(shù)學(xué)手段，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案域中找出可行的最優(yōu)方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，使結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)變?yōu)橹鲃?dòng)，不僅可以減少設(shè)計(jì)的工作量，提高設(shè)計(jì)效率，而且還可以提升設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平，取得了更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2、鋼結(jié)構(gòu)體系存在的問題

2.1鋼材料浪費(fèi)的情況嚴(yán)重

隨著鋼材料的應(yīng)用，多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋也逐漸應(yīng)用到人們的生活當(dāng)中，雖然體制機(jī)制還不完善，但是，多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋成為現(xiàn)代居民建筑的主流。據(jù)目前來看，我國是鋼材料使用大國，同時(shí)鋼材料量浪費(fèi)的情況比較嚴(yán)重，這不僅影響資源的浪費(fèi)，還會(huì)阻礙多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋的發(fā)展。隨著鋼材料浪費(fèi)的增多和使用范圍的增大，我國鋼材料也逐漸的減少，由于現(xiàn)在多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋技術(shù)還不完善，與發(fā)達(dá)國家的發(fā)展還有很大的差距，因此，必須減少鋼材料浪費(fèi)的情況，加大科技投入，保障多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋的進(jìn)步和完善。

2.2多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋體制機(jī)制不完善

由于我國多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋與發(fā)達(dá)國家相比發(fā)展的比較晚，所以其技術(shù)水平不完善，相關(guān)的法律法規(guī)建設(shè)也不全面，體制機(jī)制也沒有滿足現(xiàn)代多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋的發(fā)展需求，致使，多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋的發(fā)展過于自主化、隨意化，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范，這不僅阻礙了多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋的發(fā)展，還影響建筑行業(yè)的順利開展和人民生活水平的改善，因此，必須加強(qiáng)多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)展的體制機(jī)制，完善無發(fā)展內(nèi)容，進(jìn)行統(tǒng)一的管理，卻保其健康有序地發(fā)展。

2.3施工人員自身素質(zhì)低

就目前來看，我國建筑行業(yè)的施工人員整體素質(zhì)還有待提升。多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋是我國目前和未來建筑的主流，因此，提升施工人員的技術(shù)和是知識(shí)水平，加大對西方先進(jìn)技術(shù)的吸收，并結(jié)合自身得建筑特色進(jìn)行有效的結(jié)合，形成自己的發(fā)展方案，對施工人員進(jìn)行知識(shí)技能培訓(xùn)，并且進(jìn)行考核，對于考核通過的人員實(shí)施獎(jiǎng)勵(lì)，為通過的人員繼續(xù)學(xué)習(xí)，以達(dá)到需要的標(biāo)準(zhǔn)為止。

3、多層鋼框架的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

3.1多層鋼框架結(jié)構(gòu)受力變形特點(diǎn)

鋼框架結(jié)構(gòu)體系'中的每一棍框架在縱、橫兩個(gè)方向上均采用剛接，這些剛接框架不僅承受垂直荷載的豎向作用，還要承受水平荷載的側(cè)向作用。水平荷載對結(jié)構(gòu)的作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面水平荷載對整體結(jié)構(gòu)的傾覆力矩和各層結(jié)構(gòu)承受的水平剪力。因此，結(jié)構(gòu)也就產(chǎn)生了由這兩方面作用共同引起的側(cè)移。在結(jié)構(gòu)的傾覆力矩的作用下，框架柱產(chǎn)生底層較小，越往上越大的軸向變形，此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲型變形在各層結(jié)構(gòu)的水平剪力的作用下，梁、柱均出現(xiàn)反彎點(diǎn)，形成底層層間側(cè)移最大，向上層間變形依次減少的變形，此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切型變形。在框架結(jié)構(gòu)的總側(cè)移變形中，剪切變形是主要的。隨著結(jié)構(gòu)總高度的增加，彎曲變形在總側(cè)移變形中多占的比例會(huì)增大。針對多層鋼框架結(jié)構(gòu)，由于層數(shù)不高，彎曲變形所占比例只有一，所以多層框架可以看成剪切型抗側(cè)力體系。

針對這種剪切型抗側(cè)的多層鋼框架結(jié)構(gòu)體系，規(guī)范按結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)的要求，對結(jié)構(gòu)的水平位移進(jìn)行了限制。規(guī)定在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，框架柱柱頂水平位移和層間位移相對值，不宜超過下列數(shù)值（H為自基礎(chǔ)頂面至柱頂?shù)目偢?，h為結(jié)構(gòu)層高）：

（1）多層框梁柱頂位移（H/500）

（2）多層框架層間相對位移（h/400）

本文所研究民用住宅僅為層，由于層數(shù)較低，水平荷載作用的側(cè)移不會(huì)很大，一般來說起不到控制的作用。

3.2多層鋼框架結(jié)構(gòu)分析的基本要求與原則

采用的計(jì)算模型和基本假定要盡力的與構(gòu)件連接的實(shí)際性能相符合。在鋼框架結(jié)構(gòu)中，梁柱的剛性連接應(yīng)符合受力過程中梁柱夾角不變的假定，同時(shí)連接應(yīng)具有充分的強(qiáng)度，使它能夠承受交匯構(gòu)件端部所傳遞的所有最不利內(nèi)力。對于框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析，可以采取一階彈性分析的方法，也就是以未變形的結(jié)構(gòu)簡圖為分析對象，不考慮結(jié)構(gòu)在荷載作用下的變形對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響。對內(nèi)力的影響不能忽略的結(jié)構(gòu)需要采取二階分析，比如懸索屋蓋結(jié)構(gòu)在重力荷載作用下的位移比較大，如果采用一階分析的方法來計(jì)算內(nèi)力會(huì)導(dǎo)致可靠度不足。

4、結(jié)束語

多層框架結(jié)構(gòu)鋼筋最為現(xiàn)階段我國建筑行業(yè)主要的形式之一，多層民用的鋼結(jié)構(gòu)房屋具有廣發(fā)的發(fā)展前景，值得進(jìn)一步投資和發(fā)展，但是多層民用鋼結(jié)構(gòu)的起步相對較晚，多層民用鋼結(jié)構(gòu)的體制機(jī)制還不完善，其發(fā)展設(shè)計(jì)還沒有成熟，與發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)還有一部分差異，這不僅會(huì)增加建筑施工的成本，還不利于多層民用鋼結(jié)構(gòu)的完善和發(fā)展，為節(jié)省建筑的成本，促進(jìn)多層民用鋼結(jié)構(gòu)的完善，優(yōu)化多層民用鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)不可避免的道路，并在實(shí)際的應(yīng)用中起到指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳紹蕃，顧強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)，第三版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003

[2]郭兵，紀(jì)偉東等.多層民用鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005

[3]徐偉量等.輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國的應(yīng)用和發(fā)展[J]，建筑技術(shù)開發(fā)，2001.8

[4]王軍.鋼結(jié)構(gòu)住宅的研究與開發(fā)[J]，建筑技術(shù)開發(fā)，2004.3