建筑工程師高級職稱范文鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)

　　摘要：隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高和對能源大量消耗的關(guān)注，使人們對建筑提出了更高的要求，不僅要滿足人們的舒適性，更要求節(jié)能和環(huán)保，這就需要建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。文章主要以某鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)為例，在對該建筑進行優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，總結(jié)出鋼筋混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計相關(guān)要點，可為相關(guān)工作者提供參考。

　　關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土建筑,結(jié)構(gòu),優(yōu)化設(shè)計

　　1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用分析

　　1.1 工程概況

　　某鋼筋混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu)建筑由四層裙樓和A、B兩棟高層建筑組成，地下兩層為停車庫和設(shè)備用房。總建筑面積約2萬m2，房屋平面布置為不規(guī)則形狀。

　　1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

　　本工程采用鋼筋混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。地震基本烈度為7度(0.1g，第二組，特征周期0.4s)，抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g，第二組)。地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。上部結(jié)構(gòu)和負一層的框架抗震等級為二級，剪力墻為二級結(jié)構(gòu)，負二層的框架抗震等級為三級。基本風壓：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度為B類。

　　1.3 設(shè)計優(yōu)化的原則

　　在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)規(guī)定的前提下，通過大量計算和經(jīng)驗分析進行優(yōu)化，遵循以下原則：保證結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用;保證結(jié)構(gòu)具有合理的剛度，特殊部位應(yīng)有局部加強;可以減小的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)進行有效的核減。

　　1.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，主要是水平荷載作用下，框架和剪力墻內(nèi)力分配設(shè)計，其中剪力墻的設(shè)計位置和數(shù)量就是關(guān)鍵。

　　1.4.1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

　　在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后，根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進行截面的優(yōu)化設(shè)計，確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征的配筋量的優(yōu)化結(jié)果，由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征的變化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化，各控制截面的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化，據(jù)此進行下一步的優(yōu)化設(shè)計。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是一個不斷迭代、漸進的尋優(yōu)過程。

　　1.4.2 結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防的選擇

　　在預(yù)測地震烈度概率分析的基礎(chǔ)下，使用專業(yè)地震安全評價報告的數(shù)據(jù)，采用模糊綜合評定分析法計算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強度，損失等級概率和震害損失的概率預(yù)估期望值，在滿足最大投資期望和最大損失約束條件下，求出最優(yōu)地震設(shè)防烈度值。

　　1.4.3 框架與剪力墻協(xié)同工作，承載力、剛度、延性能力的最佳匹配設(shè)計

　　剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)延性的最佳組合。結(jié)構(gòu)剛度對結(jié)構(gòu)的主要影響為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移，結(jié)構(gòu)延性對結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力能力的前提下的變形能力，因此可以采用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性，按規(guī)范對層間位移量和頂點位移總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度和延性設(shè)計。

　　1.4.4 框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

　　框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的原則就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則，通過一次性完成的結(jié)構(gòu)件，逐步優(yōu)化各個構(gòu)件，以達到結(jié)構(gòu)受力合理，節(jié)約投資的目的。

　　1.4.5 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

　　(1)主樓和裙樓的基礎(chǔ)分別設(shè)計，即依據(jù)地勘資料，主樓采用筏板基礎(chǔ)，裙樓采用獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板或樁基承臺要按照經(jīng)驗和計算結(jié)果設(shè)置，不得隨意增加厚度或加大鋼筋。例如在地下室基礎(chǔ)的初步設(shè)計工作中，原初步設(shè)計地下室基礎(chǔ)擬全部采用筏板基礎(chǔ)，經(jīng)審核計算后，提出純地下室基礎(chǔ)部分采用獨立基礎(chǔ)加抗浮底板及抗浮錨桿的做法能做到節(jié)約鋼筋、混凝土。同時保證結(jié)構(gòu)安全，施工簡便，能達到更加節(jié)省工程成本目的。

　　(2)對地下室有防水要求的基礎(chǔ)底板，裂縫寬度可控制為 0.2mm;地下室頂板及外墻，要求荷載取值準確、有些荷載可根據(jù)實際情況選用，不得累加。

　　(3)作為塔樓的嵌固端，地下室的頂板不宜太薄，在覆土不太厚的情況下，采用十字梁較好，在覆土較厚時，采用井字梁較宜。

　　(4)依據(jù)地質(zhì)勘察報告，基礎(chǔ)持力層為中密卵石層，A、B棟塔樓采用筏板基礎(chǔ)，裙樓基礎(chǔ)采用獨立柱基礎(chǔ)加抗水底板，裙樓和純地下室部分采用抗浮錨桿。

　　1.4.6 強化“強柱弱梁、強剪弱彎”設(shè)計理念

　　框架結(jié)構(gòu)的柱、剪力墻設(shè)計要引起重視，要加強設(shè)計;而梁和板的配筋不宜調(diào)大，梁的設(shè)計變量主要是截面高、寬及縱向受拉鋼筋的截面積和架立鋼筋的截面積，優(yōu)化設(shè)計主要針對以上設(shè)計變量進行優(yōu)化，因此梁的截面盡量按正常值取定，少做寬扁梁，配筋率也應(yīng)控制在 1.5%左右，次梁的箍筋宜分為加密區(qū)和非加密區(qū)。

　　1.4.7 樓板優(yōu)化設(shè)計

　　1.5 優(yōu)化設(shè)計效果考慮到樓板要預(yù)埋管道的要求，樓板較薄時施工容易造成裂縫，因此樓板設(shè)計時采用彈性假定，不采用塑性假定設(shè)計，計算樓板厚度、配筋的折減等，精心配筋。最小配筋率取 0.2 和 0.45 ft/fy 中較大值相同板厚時混凝土強度等級低、鋼筋強度大時，最小配筋率低，故優(yōu)先采用三級筋;板中抗裂鋼筋(分布筋)最小配筋率為 0.1%，當 120mm厚板時，可用Ф6@150;盡量不用大跨厚板。

　　高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個亟待解決和非常復(fù)雜的工程難題，結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來的經(jīng)濟效益也是巨大的，因此研究和開發(fā)應(yīng)用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對節(jié)約工程投資具有重大意義。為驗證設(shè)計優(yōu)化的有效性，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的初步方案，采用工程所在地的市場價格。本工程的最終優(yōu)化的結(jié)果為：節(jié)約鋼筋65t，節(jié)約資金約32萬元。

　　2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點總結(jié)分析

　　本文通過對某框架——剪力墻建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析，給相關(guān)工程設(shè)計提供了借鑒，除了工程實踐中所分析優(yōu)化設(shè)計方法外，筆者還得出了以下幾點關(guān)于框架——剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點：

　　(1)分散：剪力墻的布置應(yīng)考慮地震力分散作用于剛度大致相等的多片剪力墻上。因為如果地震力集中作用到一兩片剛度很大的剪力墻上，會造成墻體內(nèi)力很大，截面設(shè)計困難，且主要受力剪力墻一旦破壞后，其余較弱剪力墻和框架很難額外負擔起該剪力墻傳來的很大地震力，以致出現(xiàn)破壞。

　　(2)均勻：同方向的各片剪力墻應(yīng)比較均勻地布置在建筑平面的各個區(qū)段，而不是集中于某一區(qū)段內(nèi)，以防止因樓蓋過大的水平變形導(dǎo)致地震力在各框架間的不均勻分配。

　　(3)周邊：剪力墻盡可能沿結(jié)構(gòu)平面的周邊布置，以獲得結(jié)構(gòu)抗力的最大水平力臂，充分提高整個結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力。

　　(4)對稱：剪力墻應(yīng)盡量做到對稱布置，如果在平面上難于做到對稱布置時，可通過調(diào)整剪力墻的長度和厚度，使結(jié)構(gòu)的抗推剛度中心盡量與質(zhì)量中心相接近，縮小偏心距，以減弱地震時結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動。

　　(5)在一個獨立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，同一方向的各片剪力墻不宜是單肢墻，應(yīng)多設(shè)置一些雙肢墻或多肢墻，單個剪力墻構(gòu)件宜設(shè)計成周邊有梁柱(或暗梁柱)的帶邊框剪力墻，縱橫向剪力墻宜連在一起形成 L 形，T 形，[形，十字形等。以避免同方向所有剪力墻同時在底部屈服而形成不穩(wěn)定的側(cè)移機構(gòu)。

　　(6)一般情況下，剪力墻布置在豎向荷載較大處，平面形狀變化處或樓蓋水平剛度劇變處、樓梯間、電梯及管道并。縱向剪力墻不宜設(shè)置在獨立結(jié)構(gòu)單元的兩端，以免縱向框架梁和樓板因受到變形約束的區(qū)段過長而產(chǎn)生較大的收縮和溫度應(yīng)力。

　　(7)剪力墻的門窗洞宣上下對齊，形成明確的墻肢和連梁，不宜采用錯洞墻。剪力墻的布置對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度有很大影響，剪力墻緣高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)剛度突變，故盡量不設(shè)轉(zhuǎn)角窗;無法避免時，應(yīng)在轉(zhuǎn)角處采取增大墻厚、板厚及設(shè)暗梁等加強措施，以保證相鄰樓層剛度的減弱不宜大于 30%。

　　(8)剪力墻宜設(shè)置在墻面不需要開大洞的位置(保證足夠的剛度)：剪力墻之間無大洞口的樓、屋蓋的長寬比不宜大于 3。如超過時，應(yīng)計入樓蓋平面內(nèi)變形的影響。

　　(9)剪力墻的特點是平面內(nèi)剛度和承載能力較大，而平面外剛度和承載能力相對很小。因而應(yīng)盡量避免剪力墻平面外的彎距。樓面梁不宜單側(cè)垂直擱置于一字形剪力墻上，當剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應(yīng)按規(guī)范要求采取措施。

　　(10)結(jié)構(gòu)平面應(yīng)布置一些短肢剪力墻，形成短肢剪力墻與一般剪力墻共同抵抗水平力的剪力墻體系。

　　(11)軸壓比也是剪力墻設(shè)計的一個重要參考指標，當其太小時說明沒有充分發(fā)揮材料的力學性能，應(yīng)減少布置一些剪力墻。

　　(12)一個剛度較小的結(jié)構(gòu)所承擔的樓層剪力與彎矩也較小。

　　3 結(jié)語

　　文章從鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)出了鋼筋混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計方法，具有一定的實際意義，也符合目前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展需要。除了筆者所述以上要點外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化還需以先進設(shè)計理念為指導(dǎo)，借助先進的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，融入科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化流程，從整體上提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計水平。

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