文/沈鋒 上海市對(duì)外服務(wù)有限公司國(guó)際人才分公司 上海 200001

民用高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

文/沈鋒 上海市對(duì)外服務(wù)有限公司國(guó)際人才分公司 上海 200001

隨著建筑領(lǐng)域的不斷發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的建筑成為了發(fā)展的主要對(duì)象,民用高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的外觀優(yōu)美，抗震能力比較強(qiáng)，造價(jià)的總成本低，是一個(gè)既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。但目前的民用高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面仍然存在一些問(wèn)題，本文對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件以及約束狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，主要研究了鋼筋混凝土的構(gòu)件優(yōu)化，通過(guò)案例分析，體現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

鋼筋混凝土高層建筑；框架-核心筒結(jié)構(gòu)；多級(jí)約束優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件與狀態(tài)分析

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束指的是對(duì)函數(shù)的變量進(jìn)行優(yōu)化。將優(yōu)化變量的類型作為分類依據(jù)，那么設(shè)計(jì)約束可以分為整體約束、組件約束以及構(gòu)件約束三個(gè)類型。

（1）整體約束指的是與整體的結(jié)構(gòu)或者是與大多數(shù)構(gòu)件具有直接關(guān)系的設(shè)計(jì)約束，它可以針對(duì)整體的某一結(jié)構(gòu)反映出其特性。比如結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性可以通過(guò)周期反映出來(lái)；結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度可以通過(guò)層間位移角來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)；結(jié)構(gòu)的抗扭剛度可以通過(guò)周期比進(jìn)行評(píng)價(jià)；結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以通過(guò)剛重比進(jìn)行評(píng)價(jià)；結(jié)構(gòu)的舒適度可以通過(guò)頂點(diǎn)風(fēng)振加速度進(jìn)行評(píng)價(jià)等。

（2）組件是由同一種類型的構(gòu)件、一組構(gòu)件或者是多個(gè)構(gòu)件所組成的集合，例如在超高層框架-核心筒的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，核心筒以及外框架都可以獨(dú)自作為一個(gè)組件。在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，組件需要滿足指定條件，這就是所謂的組件約束條件，例如框架-核心筒的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，傾覆力矩百分比以及框架剪力百分比。

（3）構(gòu)件約束實(shí)際上就是構(gòu)件的穩(wěn)定性、剛度以及承載力等。對(duì)于混凝土的結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，最主要的因素不是穩(wěn)定性，而是在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)中需要考慮延性因素，例如框架柱需要滿足軸壓比的約束，同時(shí)需要在框架梁一端以及框架柱一端設(shè)置相應(yīng)的箍筋加密區(qū)。

1.2 約束狀態(tài)分析

首先對(duì)約束狀態(tài)進(jìn)行定義：當(dāng)約束限制數(shù)值[S]大于組件、構(gòu)件或者整體性能指標(biāo)S時(shí)，就叫做約束不足；當(dāng)約束限制數(shù)值[S]小于組件、構(gòu)件或者整體性能指標(biāo)S時(shí)，就叫做約束過(guò)度；當(dāng)約束限制數(shù)值[S]等于組件、構(gòu)件或者整體性能指標(biāo)S時(shí)，就叫做約束平衡；當(dāng)約束限制數(shù)值[S]小于組件、構(gòu)件或者整體性能指標(biāo)S適當(dāng)比例時(shí)，就叫做約束適度。約束不足、約束過(guò)度、約束平衡以及約束適度有一個(gè)統(tǒng)稱，那就是約束滿足。

如果結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)是約束過(guò)度時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)是約束不足時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。如果結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)是約束不足或者是約束平衡時(shí)，需要做好構(gòu)件尺寸優(yōu)化、結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化以及荷載作用優(yōu)化等工作，從而提高結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，當(dāng)性能指標(biāo)達(dá)到約束過(guò)度時(shí)，有助于對(duì)性能進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)均是約束平衡時(shí)，且不能夠繼續(xù)優(yōu)化，就可以判斷該結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2、民用房屋鋼鐵結(jié)構(gòu)類型以及最大適用高度分析

依據(jù)我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，將經(jīng)濟(jì)實(shí)用理念與其有效結(jié)合起來(lái)，本文對(duì)民用房屋鋼鐵結(jié)構(gòu)類型以及最大使用高度進(jìn)行了詳細(xì)分析，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 民用房屋鋼鐵結(jié)構(gòu)類型以及最大適用高度

3、關(guān)于鋼筋混凝土的構(gòu)件優(yōu)化

3.1 框架梁優(yōu)化

平面內(nèi)受彎是框架梁主要受力作用，例如一個(gè)兩層的框架中框架梁的配筋以及構(gòu)件截面尺寸之間的關(guān)系；框架柱網(wǎng)的尺寸設(shè)置為8.1m×8.1m，每平方米的活載設(shè)置為3.2kN，對(duì)應(yīng)每平方米的樓面附加恒載設(shè)置為2.0kN；框架梁的截面高度H、底部鋼筋面積以及頂部的負(fù)筋面積M為優(yōu)化的變量，將兩層框架量的總體造價(jià)控制在最低作為優(yōu)化的目標(biāo)。假設(shè)梁的寬度設(shè)置為20cm，并且保持不變，將梁的高度作為變量，從40cm逐漸遞增，直到高度數(shù)值達(dá)到140cm，其中遞增量取值為10cm，通常情況下，梁的高度在80cm以下，利用增加梁的高度，從而體現(xiàn)改變梁的寬度的作用。

3.2 框架柱的優(yōu)化

壓彎是框架柱的主要受力作用，而抗側(cè)剛度的主要貢獻(xiàn)是由框架柱提供的，例如在一棟具有10層框架的高層建筑當(dāng)中，截面柱設(shè)計(jì)為方形，并且柱網(wǎng)的尺寸設(shè)置為8.1m×8.1m。每平方米的活載設(shè)置為3.0kN，對(duì)應(yīng)每平方米的樓面附加恒載設(shè)置為2.0kN；抗震設(shè)防烈度設(shè)置為7 度，每一層的高度設(shè)置為3.6m，總建筑的高度設(shè)置為36.15m。

將計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析可知，由于壓軸比可以有效控制底層柱的截面尺寸，同時(shí)柱截面積的尺寸需要比它內(nèi)力設(shè)計(jì)的構(gòu)件尺寸要大一些，所以底部4層的框架柱都是構(gòu)造配筋。計(jì)算配筋的工作是從第6層框架柱開(kāi)始的，要求構(gòu)造最小的配筋率要小于配筋，并且對(duì)造價(jià)S以及截面高度H之間的關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析。當(dāng)框架柱的截面高度小于60cm時(shí)，在加大橫截面的同時(shí)，需要適當(dāng)?shù)剌^小鋼筋，從而將造價(jià)控制在最低；當(dāng)截面的高度達(dá)到60cm時(shí)，就形成了構(gòu)件配筋，這時(shí)最小配筋率可以對(duì)框架柱配筋進(jìn)行有效控制。當(dāng)其達(dá)到構(gòu)造配筋以后，配筋量會(huì)隨著截面高度的增加而增加，同時(shí)造價(jià)也會(huì)有所提高，當(dāng)截面高速達(dá)到75cm時(shí)最為顯著，配筋量的增加幅度較大，框架柱的長(zhǎng)度會(huì)隨著柱構(gòu)件的尺寸增加而變短，當(dāng)體積配箍率增加到1.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的框架柱軸壓比限值會(huì)降低0.05。

3.3 剪力墻優(yōu)化

在高層建筑中，剪力墻是核心抗側(cè)力構(gòu)件，在對(duì)剪力墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的形變、建筑的布局、軸壓比以及構(gòu)造措施都是主要影響因素。剪力墻的構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要工作內(nèi)容是在使用同等量的材料時(shí)，提高結(jié)構(gòu)的剛度。將剪力墻的截面尺寸設(shè)置為20cm×20cm，作為初始截面，控制材料的用量不變，將構(gòu)件的尺寸作為變量來(lái)分析構(gòu)建剛度受到構(gòu)建尺寸的影響因素。通過(guò)分析可知，當(dāng)增加剪力墻的厚度以后，截面剛度較初始剛度增加了0.5倍。一般情況下，將剪力墻圍成一個(gè)筒體，或者是將剪力墻的長(zhǎng)度增加一些，都可以有效提高結(jié)構(gòu)的剛度。

4、工程案例分析

4.1 工程情況概述

該項(xiàng)目位于烏魯木齊市核心區(qū)域，建筑樓層為48層，總高度為199.90m，是一個(gè)超限高層建筑，標(biāo)準(zhǔn)層對(duì)應(yīng)的高度為4.8m，34層和17層是建筑避難層，對(duì)應(yīng)的樓層高度為4.8m。

主體結(jié)構(gòu)的核心筒對(duì)應(yīng)的平面尺寸設(shè)定為16.2m×16.2m，筒體的高度與筒體的寬度比值在12.3左右，核心筒的外墻與外框架柱之間的距離是12m。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要保證核心筒與外框架柱之間的距離以及核心筒的整體布局保持不變。外框梁的截面高度控制在80cm以內(nèi)，對(duì)應(yīng)梁截面的高度控制在75cm以內(nèi)。

工程抗震為丙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全等級(jí)是二級(jí)，可以在50年之內(nèi)使用?？拐鹪O(shè)防烈度是8度，建筑所在場(chǎng)地的類別是Ⅲ類，地震的加速度是0.2g，0.45秒是其特征周期，最大的地震影響系數(shù)為0.16。

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)選用的分析軟件是Etabs2013，它是一種三維有限元分析軟件。通過(guò)該軟件可以對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算與分析，中梁剛度的放大系數(shù)設(shè)置為2.0，連梁剛度折減系數(shù)設(shè)置為0.5，相應(yīng)的計(jì)算位移時(shí)設(shè)置為0.9，將梁柱結(jié)點(diǎn)剛域作為考慮因素，因此，周期折減系數(shù)設(shè)置為0.85。

4.2 設(shè)計(jì)方案

將建筑的平面布局以及一些需求功能作為核心依據(jù)，結(jié)合高烈度去的特點(diǎn)以及建筑場(chǎng)地自身的條件，為了有效地控制成本，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型，決定選用鋼筋混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的計(jì)算與分析，將核心筒外墻的厚度取值在40cm至80cm之間，內(nèi)墻的厚度取值在20cm至40cm之間，型鋼混凝土方柱設(shè)置在1至9層框架柱，對(duì)應(yīng)的截面邊長(zhǎng)設(shè)置為130cm，鋼筋混凝土方柱設(shè)置在10層～屋面層框架柱，對(duì)應(yīng)的截面邊長(zhǎng)設(shè)置在70cm至130cm之間，外圈框架梁的截面設(shè)置為50cm×80cm，角部斜框架梁的截面設(shè)置為50cm×75cm，內(nèi)框架梁的截面設(shè)置為40cm×75cm，樓板的厚度控制在11cm與12cm之間。

總結(jié):

將工程設(shè)計(jì)中的約束條件作為依據(jù)，構(gòu)建出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，按照級(jí)別，首先對(duì)構(gòu)件約束進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其次對(duì)組件約束進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后對(duì)整體約束進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要從框架梁、框架柱以及剪力墻三個(gè)方面進(jìn)行合理優(yōu)化。經(jīng)過(guò)對(duì)工程案例進(jìn)行系統(tǒng)分析以后，說(shuō)明此方法具有一定可行性，可以在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中廣泛推廣。

[1]盛承財(cái).高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2014(3):31.

[2]懂朝旭,吳伸杰.高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題探討[J].中華建設(shè),2013(7):104-105.