施春燕

【摘 要】現(xiàn)今，在限額材料用量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及尚未有一整套通用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的環(huán)境下，能有一套能為廣大工程技術(shù)人員容易掌握的優(yōu)化理論體系，這應(yīng)該是當(dāng)前結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向。鑒于鋼混多高層框架結(jié)構(gòu)是當(dāng)前多高層建筑常常采用的結(jié)構(gòu)形式，故本文擬對(duì)多高層框架-剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化理論展開(kāi)研究。

【關(guān)鍵詞】框-剪結(jié)構(gòu)；細(xì)部設(shè)計(jì)；技術(shù)參數(shù)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)效益；經(jīng)濟(jì)配筋率

0 引言

采用現(xiàn)澆框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑的平面布置相對(duì)靈活，廣泛應(yīng)用在高層住宅、旅館等居住建筑當(dāng)中。所以，推廣多高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免過(guò)多的材料浪費(fèi)。

1 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的細(xì)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 梁

對(duì)梁的寬度較小的構(gòu)件來(lái)說(shuō)，當(dāng)計(jì)算的配筋比較大時(shí)，往往需要調(diào)整鋼筋的排數(shù)，一般可以調(diào)整為配2-3排鋼筋。這樣會(huì)一定程度上減小了梁截面的有效高度。因此當(dāng)不影響使用或空間觀感時(shí)，建議適當(dāng)?shù)卦黾咏Y(jié)構(gòu)梁截面尺寸寬度，使其盡量放置成單排主筋?；蛘撸?dāng)條件允許時(shí)，可增加梁截面的高度，以方便混凝土的澆注。

1.2 板

對(duì)于大跨度而且較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)板，支座按設(shè)計(jì)計(jì)算配負(fù)筋，板面中央部位按構(gòu)造要求配構(gòu)造筋。但當(dāng)板面積不大時(shí)，可配通長(zhǎng)筋，這樣施工較為方便，也減少了剪截鋼筋及吊運(yùn)的工作量，提高現(xiàn)場(chǎng)施工效率。

1.3 剪力墻

抗震等級(jí)為一、二級(jí)的剪力墻分為加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位兩類(lèi)。按抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，前者應(yīng)按約束邊緣構(gòu)件配筋，后者則按構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋。所以，在節(jié)點(diǎn)區(qū)還是在其他的區(qū)域，前者的配筋量都會(huì)遠(yuǎn)大于后者?？梢?jiàn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該嚴(yán)格區(qū)分抗震墻的不同部位和抗震等級(jí)，對(duì)鋼筋用量的控制是起一定作用的。

1.4 柱

結(jié)構(gòu)柱一般是壓彎構(gòu)件，其配筋在大多數(shù)情況下是構(gòu)造配筋，因此在其混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理選用，而且滿足軸壓比要求的前提下，柱的截面不宜過(guò)大，否則會(huì)增加用鋼量，同時(shí)影響了建筑空間的使用。

2 主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸的優(yōu)化方法

2.1 梁、板的截面尺寸優(yōu)化

鋼筋混凝土單筋矩形截面梁、板正截面設(shè)計(jì)時(shí)，一般是先根據(jù)其跨度確定梁高、梁寬或板厚，并選取鋼筋和混凝土強(qiáng)度等級(jí)，然后依據(jù)承受的彎矩設(shè)計(jì)值M計(jì)算所需配筋A(yù)■。那么，其正截面配筋率ρ一般是無(wú)法事先預(yù)知的。如果截面尺寸的選擇偏大或偏小，材料強(qiáng)度的選擇過(guò)高或過(guò)低，將導(dǎo)致配筋率過(guò)低或過(guò)高，直接影響建筑經(jīng)濟(jì)效益。本文所論述的結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是在保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度與剛度要求的前提下，合理選擇截面尺寸和材料強(qiáng)度。預(yù)先使截面的配筋率控制在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)，以達(dá)到降低建筑結(jié)構(gòu)成本的目的。

鋼筋混凝土單筋矩形截面梁、板正截面的設(shè)計(jì)，截面承受彎矩M確定后，可以設(shè)計(jì)出不同截面的梁。當(dāng)配筋率ρ取小時(shí)，梁截面會(huì)大些。當(dāng)配筋率ρ取大時(shí)，梁截面相對(duì)的會(huì)小些。根據(jù)目前材料價(jià)格和施工費(fèi)用測(cè)算，單筋矩形截面梁的經(jīng)濟(jì)配筋率約為0.6%-1.5%，板的經(jīng)濟(jì)配筋率約為0.4%-0.8%。有學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土梁、板正截面的設(shè)計(jì)提出了一種優(yōu)化方法。其具體方法是，通過(guò)計(jì)算梁，板的配筋率影響系數(shù)氣并列表，可利用公式M=α■bh■■。

結(jié)構(gòu)梁、板的截面設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)初選的鋼筋和混凝土材料強(qiáng)度等級(jí)，利用表查出構(gòu)件在經(jīng)濟(jì)配筋率上下限時(shí)的配筋率影響系數(shù)α■，然后代入上式。當(dāng)計(jì)算出構(gòu)件配筋在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，所具有的最大（M■）和最?。∕■）承彎能力，將彎矩設(shè)計(jì)M與M■、M■進(jìn)行比較，應(yīng)該有三種情況：

（l）M

（2）M>M■時(shí)，說(shuō)明所需配筋較多，高于經(jīng)濟(jì)配筋率上限此時(shí)可適當(dāng)增大截面尺寸，提高材料強(qiáng)度等級(jí)。

（3）M■

2.2 剪力墻、結(jié)構(gòu)柱的截面尺寸優(yōu)化

2.2.1 剪力墻

根據(jù)有關(guān)研究成果，剪力墻的軸壓比應(yīng)滿足μ=N/bhf■。剪力墻單面的構(gòu)造配筋應(yīng)滿足A■≥1000ρ■·b/4，其中[u]為規(guī)范規(guī)定的軸壓比；N為作用于柱上的軸力，kN；b，L分別為剪力墻的截面厚度、長(zhǎng)度，mm；f■為混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度，MPa；A■剪力墻單面主筋面積，mm■； ρ■為規(guī)范規(guī)定的最小配筋率。

剪力墻的配箍率按體積配箍率配筋可滿足抗剪要求，故剪力墻的箍筋面積為A■=R■bL/1000，式中A■為柱截面箍筋面積，mm■，R■為柱的體積配箍率。

根據(jù)滿應(yīng)力準(zhǔn)則法原理，當(dāng)μ→[μ]時(shí)，剪力墻的截面為經(jīng)濟(jì)的，此時(shí)剪力墻的截面在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下應(yīng)是最小的截面尺寸。同時(shí)，在這種情況下，剪力墻的配筋應(yīng)該也是經(jīng)濟(jì)的。

此時(shí)，在初選b■、h■的截面尺寸后，以10mm為模數(shù)調(diào)整剪力墻截面尺寸，在滿足剪力墻的最小截面要求[b]=150mm及配筋要求的前提下，盡量滿足μ→[μ]，便可找出最優(yōu)的截面尺寸。

2.2.2 結(jié)構(gòu)柱

對(duì)于結(jié)構(gòu)柱，同理使用其截面計(jì)算得的，結(jié)構(gòu)柱截面在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下應(yīng)是最小的截面尺寸。同時(shí)，在這種情況下，剪力墻的配筋應(yīng)該也是經(jīng)濟(jì)的。

3 混凝土、鋼筋、砌體的選用

3.1 混凝土材料

大量的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐表明，在多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)中，采用C30、C35、C45級(jí)混凝土應(yīng)較為合理經(jīng)濟(jì)。但并不是等級(jí)強(qiáng)度取得越高，就越經(jīng)濟(jì)的。因?yàn)椋捎酶叩燃?jí)混凝土材料設(shè)計(jì)，可以相應(yīng)地減少構(gòu)件截面尺寸。但是，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了滿足承載力強(qiáng)度要求外，還要滿足變形、延性要求，這些跟構(gòu)件的截面尺寸有關(guān)。新型的高強(qiáng)混凝土建筑材料，其特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高（一般為普通強(qiáng)度混凝土的4-6倍）、抗變形能力強(qiáng)、密度大、孔隙率低。因此，在特殊需要的結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

3.2 鋼筋

在多高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)中，縱向受力鋼筋宜優(yōu)先采用HRB400級(jí)鋼筋。受力主筋采用新Ⅲ級(jí)鋼筋來(lái)替代我國(guó)幾十年來(lái)常規(guī)采用的強(qiáng)度較低的HRB335級(jí)即Ⅱ級(jí)鋼，應(yīng)能夠節(jié)省鋼材和節(jié)約資金。新Ⅲ級(jí)鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360MPa，而Ⅱ級(jí)鋼筋為 300MPa。新Ⅲ級(jí)鋼筋的價(jià)格略高于Ⅱ級(jí)鋼筋，從歷年來(lái)的資料看，應(yīng)不高出超過(guò)6%左右，經(jīng)測(cè)算鋼筋資金的節(jié)約在11%左右。可見(jiàn)這應(yīng)是一項(xiàng)具有廣泛意義的技術(shù)節(jié)約措施，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。高層建筑采用高強(qiáng)鋼筋為主的配筋方案應(yīng)該是較優(yōu)的。另外，結(jié)構(gòu)樓板也可采用新Ⅲ級(jí)鋼筋f8或f6mm為主的配筋方案。

3.3 非承重墻

在框架結(jié)構(gòu)中，梁板柱為承重構(gòu)件，墻體起分隔保護(hù)作用。多高層建筑對(duì)地震作用較為敏感，構(gòu)筑物重量越大，其地震反應(yīng)越大。同時(shí)，結(jié)構(gòu)梁不但承擔(dān)樓板傳來(lái)的荷載，而且還要承受其上面的墻體重量。因此，采用輕型砌體，不但可減少結(jié)構(gòu)梁的負(fù)擔(dān)，從而減少其截面配筋，同時(shí)減少建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，進(jìn)而減少材料用量，減低工程造價(jià)。對(duì)于250厚墻，可用輕質(zhì)水泥磚，而對(duì)于120厚墻，可用灰砂磚。這樣，一方面可以減輕了結(jié)構(gòu)自重及地震反應(yīng)，且能滿足一定的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

4 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼量的主要控制措施

4.1 采用合理的結(jié)構(gòu)體系

4.2 合理分析控制性計(jì)算結(jié)果，正確輸入各個(gè)計(jì)算參數(shù)的取值

4.3 推廣使用高強(qiáng) HRB400鋼筋和高強(qiáng)混凝土

4.4 樓板鋼筋在工程鋼筋用量中占有較大的比例，應(yīng)合理控制樓板鋼筋用量

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，設(shè)計(jì)中既要反對(duì)片面的強(qiáng)調(diào)節(jié)約，忽視技術(shù)上的合理要求，使項(xiàng)目達(dá)不到功能的傾向。同時(shí)，也應(yīng)該反對(duì)重視技術(shù)，輕經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

[1]林德忠.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化方法[J].河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（9）.

[2]江歡成.優(yōu)化設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006（6）.

[責(zé)任編輯：王洪澤]