熊 英

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 ,武漢 430070)

外套框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究

熊 英

(湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 ,武漢 430070)

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，采取約束變尺度法對外套鋼筋混凝土外套框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。將整體結(jié)構(gòu)離散為單一的梁柱構(gòu)件，也就是采用分部優(yōu)化的方式最終達(dá)到整體優(yōu)化。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，最后結(jié)合PKPM程序再次對框架進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算以及復(fù)核，求出最優(yōu)解。

外套框架； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，隨著對文化遺產(chǎn)保護(hù)的重視，以及節(jié)能意識的增強(qiáng)，對既有房屋的增層改建已越來越多地得到人們的關(guān)注。該文通過建模，借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件PKPM對鋼筋混凝土外套框架結(jié)構(gòu)的梁柱構(gòu)件，在不同截面尺寸情況下進(jìn)行內(nèi)力分析。并根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，采取約束變尺度法對外套鋼筋混凝土外套框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

位于武漢的某片區(qū)是一片20世紀(jì)七八十年代遺留下來的建筑群，考慮對文化遺產(chǎn)的保留以及經(jīng)濟(jì)因素，決定對其大規(guī)模地實(shí)施增層改建。其中一棟原高3層的磚混結(jié)構(gòu)建筑物，根據(jù)要求須在不影響原建筑的情況下增建3層。考慮新舊建筑不同的結(jié)構(gòu)體系，擬定改造方案為新舊建筑物完全脫離，即分離式外套框架結(jié)構(gòu)型。

1.1 外套框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程為單跨四層的高腿外套框架，底層柱高12.5 m，以上各層層高均為3.0 m。采用武漢地區(qū)抗震設(shè)防烈度6度，抗震等級四級，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.05g，基本風(fēng)壓0.55 kN/m。施工方案圖見圖1，外套框架結(jié)構(gòu)平面布置分別見圖2和圖3。

采用武漢地區(qū)抗震設(shè)防烈度6度，抗震等級四級，設(shè)計(jì)地震基本加速度0.05g，基本風(fēng)壓0.55 kN/m。計(jì)算中設(shè)定底層以及二、三層框架恒載1.5 kN/m2，活載2.5 kN/m2，頂層恒載3.5 kN/m2，上人屋面活載2.0 kN/m2，梁上線荷載6.5 kN/m2，自動(dòng)計(jì)算現(xiàn)澆樓板自重。結(jié)構(gòu)初選截面：梁截面500 mm×1 000 mm，柱截面500 mm×700 mm。為了更加直觀地比較優(yōu)化效果，選取其中一榀，即2軸線底層框架作為比較。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 梁柱配筋表

2 框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

該文對華中理工大學(xué)主編的 “常用優(yōu)化方法庫”-OPB-1優(yōu)化程序包中子項(xiàng)CVM01程序進(jìn)行改造，編制成適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，利用其結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分析程序?qū)蚣芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。程序見圖4。

2.1 選定初值

梁截面尺寸：400 mm×1 300 mm、柱截面尺寸：750 mm×1 000 mm、梁端最大彎矩M=497 N·mm、梁最大剪力V=296 kN。

2.2 優(yōu)化調(diào)整

優(yōu)化前后梁柱截面尺寸見表2。對進(jìn)行優(yōu)化規(guī)整后最終所得結(jié)果重新采用PKPM進(jìn)行驗(yàn)算配筋，所得結(jié)果如表3所示。

表2 梁柱截面優(yōu)化表

2.3 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果與優(yōu)化后結(jié)果比較

1)梁最終優(yōu)化結(jié)果

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用梁截面尺寸為1 000 mm×500 mm，對應(yīng)配筋為AS=2 406 mm2，AS’=2 406 mm2，工程總造價(jià)為6 821.73萬元。截面尺寸優(yōu)化結(jié)果為824 mm×392 mm，經(jīng)調(diào)整為850 mm×400 mm，調(diào)整后的配筋為AS=2 731 mm2，AS’=2 846 mm2，最終總造價(jià)為5 324.15萬元。比原設(shè)計(jì)節(jié)省造價(jià)1 499.58萬元。

表3 梁柱截面及配筋表

2)柱最終優(yōu)化結(jié)果

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用梁截面尺寸為900 mm×600 mm，對應(yīng)配筋為AS=1 762 mm2，AS’=964 mm2，工程總造價(jià)為6 234.37萬元。截面尺寸優(yōu)化結(jié)果為694 mm×481 mm，經(jīng)調(diào)整為700 mm×500 mm，調(diào)整后的配筋為AS=1 044 mm2，AS’=876 mm2，最終總造價(jià)為4 762.69萬元。比原設(shè)計(jì)節(jié)省造價(jià)1 528.32萬元。

3 結(jié) 語

通過以上梁柱優(yōu)化結(jié)果表的分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后，雖然梁的配筋有所增加，但截面尺寸減小，節(jié)省了砼的用量，總體上減少了造價(jià)。而對柱進(jìn)行優(yōu)化之后，無論是鋼筋用量還是混凝土用量，都得到了一定的減少，降低了工程成本。對調(diào)整后的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算，保證了結(jié)構(gòu)的受力安全性。

[1] 熊 英.外套框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2012.

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Design and Research on the Optimization of Frame Structure Coat

XIONG Ying

(Department of Architectural Engineering,Hubei University of Vocational and Technical for Water Resources and Hydropower,Wuhan 430070 ,China)

Following the state technical standard, and resorting to Variable Metric Method optimum design is used to optimize the enclosing frame structure.The structure is divided into single beam member, which is optimized by the division and ultimately achieves overall optimization by this way.Adjusting the optimization results, resorting to the calculation software PKPM to calculation and review the internal force of the frame structure,and get the optimal solution finally.

enclosing frame; optimal design

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.016

2015-03-07.

熊 英(1986-),碩士,助教.E-mail:xiongying1207@163.com