李靜 言景 楊虹

1 結構優(yōu)化設計目的

由于在建筑產品成本中結構所占的比重很大,通過對建筑結構進行優(yōu)化設計,使結構設計合理化,從而實現投資效益的合理化,不僅能提高建筑的安全度,而且還能有效的節(jié)約造價。

2 合理選擇結構體系

從結構角度出發(fā),主要考慮兩個問題:1)滿足建筑功能要求。一般商場、車站、展覽館、餐廳、停車場等多采用框架結構;高層住宅、公寓、賓館等多采用剪力墻結構;商店、寫字樓、教學樓、科研樓、病房樓等以及綜合性公共建筑用框架—剪力墻結構、框架—核心筒結構較多。2)按結構設計要求。對鋼筋混凝土結構,一般多、高層建筑結構可根據房屋高度、高寬比、抗震設防類別、抗震設防烈度、場地類別、結構材料和施工技術條件等因素初步選擇結構體系[1]。

同時還應注意以下幾點:1)結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。2)結構體系應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。3)結構體系應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)結構體系宜有多道抗震防線,加強關鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)的處理。5)結構體系宜具有合理的剛度,單純增加結構截面尺寸來加大剛度,有時會適得其反,如果配筋構造等措施沒有相應跟上,反而會造成結構的隱患,多花了材料、成本,反而損壞了結構的延性和安全度。

3 充分利用材料性能

根據結構的受力特點,充分利用材料的性能,揚長避短,滿足結構的可靠性和經濟性。

例如,拱是一種有水平推力的結構,它的主要內力是軸向壓力,受力均勻合理,可以充分發(fā)揮材料的抗壓性能。懸索結構的索網是中心受拉構件,既無彎矩也無剪力,它能充分發(fā)揮材料的抗拉性能。在大跨度結構中,采用兩種形式相結合也是非常經濟合理的,例如美國雷里競技館[2]的結構體系,正是把這兩種結構形式非常巧妙的結合起來,屋蓋采用懸索結構,懸索的拉力傳到兩個交叉的鋼筋混凝土斜拱上,斜拱受壓。

再如,對現澆板的混凝土強度等級和鋼筋強度等級的選用。

由混凝土規(guī)范[3]對板類構件的最小配筋率規(guī)定(ρmin=0.45ft/fy且不小于0.20%)可知,配筋率隨混凝土強度等級的提高而增大,隨鋼筋強度等級的提高而減小,因此,當板類構件的配筋由最小配筋率控制時,過高的混凝土強度等級會使其配筋量增多,從而使得板類構件既不合理又不經濟,特別是當采用HPB235級鋼筋時更為明顯。

此外,由于現澆屋面板在混凝土硬化過程中水化熱高,收縮大,易產生收縮裂縫。所以,混凝土強度等級不宜選擇過高,比較合適的混凝土強度等級在C20～C30之間,一般不超過C35。

關于鋼筋的選用,衡量其經濟性的不是鋼筋的實際價格,而是其強度價格比,即每元可購買的單位鋼筋的強度。強度價格比高的鋼筋比較經濟,不僅能減少配筋量,方便施工,還可以減少在加工、運輸和施工等方面的各項附加費用。所以板類構件的受力鋼筋,建議優(yōu)先選用HRB400級或HRB335級鋼筋,而不宜選擇HPB235級鋼筋。這兩類鋼筋除強度較高外,延性及錨固性能也好,無需像HPB235級鋼筋那樣,為滿足粘結力要求末端還要加彎鉤。但是,采用HRB400級或HRB335級鋼筋做板的受力鋼筋時,對大跨度板應進行最大裂縫寬度、撓度的驗算[1]。

4 正確進行結構計算

首先須注意結構模型與實際結構的差異。所有的計算理論和設計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的,而實際結構的受力狀態(tài)又是千差萬別的,所以任何構件的計算都應根據實際情況確定結構的約束關系,并利用結構概念、工程經驗對結構進行分析,判斷是否合理,以確保最終結構設計的正確。

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。電算結果為梁的負彎矩很大,需要配很大的支座鋼筋。但實際上,支座處墻壁只有300 mm厚,翼緣較遠,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薄壁構件來計算,剛度很大,所以能承受很大的彎矩,這就是計算模型與實際結構不符。其結果將是墻壁出現裂縫轉化為鉸接,梁的支座鋼筋起不了作用,梁的跨中鋼筋不夠,從而導致梁及水箱破壞。再如,邊梁與樓板的約束關系,一般認為板的邊支座為鉸接,但當邊梁為特殊構件而剛度增加時,就不是鉸接,結果自然是錯誤的[4]。其次,還應注意結構計算參數的合理性。例如,盡管填充墻為“非結構”構件,但地震時填充墻實際上也受力。無論是強度和剛度相對較高的磚墻,還是相對“柔弱”的輕質砌塊,在水平方向荷載作用下都能充分發(fā)揮其抗側能力,并對結構側移產生較大的影響。同時,填充墻對主體結構動力特性也有較大影響。結構周期為結構動力特性參數中重要的參數之一,目前在工程計算中常采用周期折減系數方法調整結構的自振周期,這一取值與實際工程應用數值間存在差異。因此,要根據不同的結構形式以及填充墻的材料和數量,選取恰當的數值對計算周期進行折減,若折減系數選取偏大,會使計算地震力小于實際的地震力,造成結構設計偏于不安全,反之則不經濟。

5 樹立概念設計理念

有人認為結構的安全就是多配一點鋼筋,工程中也流行這么一句“說不清,配鋼筋”。其實不然,如某結構超筋,不管你再怎么加大配筋率,構件的安全性也不會提高而延性降低,這樣既不安全又不經濟。又如,在靜力設計中,任何構件的超強設計都不會影響整體結構的安全,但在抗震設計中,某一部分結構設計超強,就可能造成結構的相對薄弱部分。因此,在設計中不合理的任意加強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:對于框架結構,普遍情況是底層柱頭出現塑性鉸,梁鉸耗能機制出現較少,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?？拐鹪O計的基本理念之一“強柱弱梁”沒有很好的實現。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,相應的梁尺寸加大,從而梁的負筋配筋量加大,再加上有些設計人員為了結構的安全,以為梁的配筋越多安全儲備就越好,盲目地增加配筋量,從而實配鋼筋遠大于計算配筋。這樣不僅沒有達到預期的安全度,而且也浪費了鋼筋,增加了造價。

因此,要有正確的結構設計理念。一方面,應適當考慮現澆樓板中的鋼筋對框架梁端部實際的正截面抗震受彎承載力的影響,建議計算程序在強柱弱梁的計算中留有開關,以便設計人員可根據樓板負彎矩鋼筋的實際配置情況,對用于強柱弱梁驗算的梁端組合負彎矩設計值乘以適當的放大系數。另一方面,應嚴格控制梁端實配鋼筋,對梁端負彎矩鋼筋不應超配(控制實配鋼筋不超過計算鋼筋面積,一般情況下,可取實配鋼筋面積為0.95倍～1.0倍的計算鋼筋面積);對梁端正彎矩鋼筋應控制超配比例(一般情況下,可控制超配系數在10%以內)[6]。

6 結語

對建筑結構進行優(yōu)化設計,以期獲得結構設計的合理化,一直是每個設計人員所期盼的。文中主要從結構體系、材料的選取到進行正確的結構計算、樹立概念設計理念等方面進行了系統的闡述,對結構優(yōu)化設計有一定的價值。

[1]徐 建.建筑結構設計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.建筑概念設計與選型[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004:248-249.

[3]GB 50010-2002,混凝土結構設計規(guī)范[S].

[4]史有濤.論結構優(yōu)化設計[J].建筑科學,2006(6):74-77.

[5]胡慶昌.建筑結構抗震減震與連續(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.影響強柱弱梁的主要因素及設計對策[J].建筑結構·技術通訊,2008(7):12-15.

[7]趙麗清.淺談高層建筑結構分析與設計[J].山西建筑,2007,33(14):68-69.