結構設計中用鋼量優(yōu)化設計的探討

1、結構設計中用鋼量優(yōu)化設計的探討摘要：這樣個別處理要比大面積增加用鋼量更科學經(jīng)濟。利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對結構剛度的貢獻最大，而內(nèi)部墻體則貢獻甚微。在滿足結構整體剛度的前提下，筒體內(nèi)部的剪力墻不宜過多過厚和過于零碎，否則會增加該部位墻體用鋼量且對結構無大作用。從施工角度看，剪力墻形成的筒體越是完整劃一，施工就越方便。 關鍵詞：結構設計，優(yōu)化設計 一、前言 單體鋼筋混凝土結構建筑物，其單位面積用鋼量的大小不僅反映出設計人員的技術水平，更重要的是其已成為投資方最為關注的指標，它將直接影響房地產(chǎn)開發(fā)項目的經(jīng)濟效益，對此設計方都應且必須給予充分的理解和重視。以下主要對結構設計中如

2、何優(yōu)化用鋼量加以探討。 二、結構布置 （一）豎向構件布置 建筑條件圖提出后，結構工程師須對柱網(wǎng)大小和疏密是否合理給予判斷，剪力墻結構還需在條件圖基礎上布置合理的剪力墻，在此結構方案階段必須通過初步計算比較，提出最優(yōu)化的結構方案，這對整個工程鋼筋用量起著很重要的作用。結構設計的具體操作就是合理地確定墻柱截面，墻柱一般是壓彎構件，其配筋量在多數(shù)情況下搜采用構造配筋，因此在其混凝土強度等級合理取值且滿足軸壓比要求的前提下，墻柱截面不宜過大，否則用鋼量將隨其截面增大而增加。結構設計中，柱截面種類不宜過多是設計中的一個原則，在柱網(wǎng)疏密不均的建筑中，某根柱或為數(shù)不多的若干根柱由于軸力大而需較大截面，而建筑

3、考慮便于裝修則希望柱截面相同，此時如將所有柱截面放大以求其統(tǒng)一，勢必增加用鋼量。經(jīng)濟合理的做法應是對個別柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以勁性鋼筋以提高其軸壓比，從而達到控制其截面尺寸的目的。這樣個別處理要比大面積增加用鋼量更科學經(jīng)濟。利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對結構剛度的貢獻最大，而內(nèi)部墻體則貢獻甚微。在滿足結構整體剛度的前提下，筒體內(nèi)部的剪力墻不宜過多過厚和過于零碎，否則會增加該部位墻體用鋼量且對結構無大作用。從施工角度看，剪力墻形成的筒體越是完整劃一，施工就越方便。從受力角度看，筒體內(nèi)部隔墻若設梁支承于筒體外圍墻上，從而增大外圍墻的軸力避免受拉對

4、其受力反而有利，尤其是內(nèi)筒的角部處。如果是高層建筑，墻柱截面還有一個收級問題。從節(jié)省用鋼量的角度出發(fā)，墻柱截面應盡量小，只要符合模數(shù)，幾乎可以每層都收級，但從結構整體特別是從施工角度考慮，一幢高層建筑的墻柱截面變化過于頻繁、截面種類過多卻不科學，這種只看局部不顧整體、因小失大的做法是不可取得。 （二）水平構件布置 通常只的是樓層梁板構件，其布置原則首先是受力傳力合理， 其次是使用效果（包括視覺效果）良好，最后才是用鋼量的節(jié)省，設計中不能本末倒置。對于公共建筑的樓層，如結構單元兩向主軸尺寸相近，則以兩向井字次梁布置；如兩向主軸尺寸相差甚大，則區(qū)分主、次框架，以典型的交梁樓蓋布置，其中板跨控制在約

5、3m，板厚取100m。對于住宅建筑，在34.5m正常開間情況下，樓板厚度為100120mm，應盡量增大板跨，而沒必要也不應凡遇隔墻就設梁。當采用高強鋼筋時，應使板的配筋由內(nèi)力控制而非按構造配筋，否則將得不償失。當板跨小、布梁多時肯定用鋼量會增多，而且可能使樓面荷載多次傳遞，造成受力不合理。 （三）構件的配筋構造 由于設計規(guī)范中有明確具體的規(guī)定，設計時都不應違反，但在符合規(guī)范規(guī)定的前提下，仍有不少設計技巧能達到節(jié)省用鋼量的目的。 1、柱：設計中應通過混凝土強度等級的合理確定來控制其截面尺寸和軸壓比，使絕大部分柱段都是構造配筋而非內(nèi)力控制配筋，此時柱主筋就可以按規(guī)定的最小配筋率或其略高的配筋率選擇

6、主筋規(guī)格；至于柱箍筋的體積配筋率，由公式中可以看出，采用高強度鋼筋比低強度鋼筋更可節(jié)省用鋼量。因此，對于高層建筑的柱箍筋主張采用HRB335甚至HRB400，盡量避免采用HPB235也就不難理解了。結構頂層邊柱尤其是抽掉中柱的大跨度邊柱，往往是大偏心受壓，其主筋配筋量由內(nèi)力控制且都較大，為了降低配筋率來節(jié)省用鋼量，通常采用改變柱豎向形狀的方法，如改變后仍難以承受其所承擔的彎矩，有時干脆可將梁柱頂節(jié)點設計成簡支，使柱中心受壓或小偏心受壓，此時的邊柱也不必改變豎向形狀且截面可較小。 2.梁：配筋大多由內(nèi)力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。從梁主筋最小配筋率及梁箍筋配箍率中可以看出，要使梁的

7、用鋼量不太高，一是混凝土強度等級不宜過高，二是采用高強度鋼筋，前者不僅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作為受彎構件的梁的抗裂性能。對截面寬度較小的梁，當配筋量較大時往往需要放23排鋼筋，無疑將減小梁的有效高度，因此當不影響使用或建筑空間觀感時，梁寬宜略為放大，盡量布置成單排主筋，尤其是梁截面高度不太大時，以達到節(jié)省鋼筋的目的。 3.樓板;前面已提及現(xiàn)澆混凝土樓板的厚度通常在100mm以上，在此條件下宜將板跨增大，使其配筋為內(nèi)力控制而非構造配筋，按此結果樓板配筋只有采用HRB335或HRB400才能達到節(jié)省用鋼量的目的。對于大跨度雙向板，由于板底不同位置的內(nèi)力存在差異，設計中不宜以最大內(nèi)

8、力處的配筋貫通整跨和整寬。為了節(jié)省用鋼量，一般應分板帶配筋，其次當板底筋間距為150mm或100mm時，不需將每根鋼筋都伸入支座，其中約半數(shù)鋼筋可在支座前切斷。當板面需要采用貫通面筋時，貫通筋的配筋通常不需也不宜超過規(guī)定的最小配筋率，這樣既符合規(guī)范規(guī)定又節(jié)省用鋼量。 4.抗震墻：抗爭墻分為加強部位和非加強部位兩類，高烈度區(qū)一般前者必須按約束邊緣構件配筋，后者則按構造邊緣構件配筋。不管是節(jié)點區(qū)還是其余墻段，前者的配筋量均遠大于后者，因此在結構設計中應嚴格區(qū)分抗震墻的加強部位和非加強部位，以達到減少用鋼量的目的。 抗震墻如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是內(nèi)力控制配筋而是構造配筋，這樣其節(jié)

9、點區(qū)主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋率都可按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率配置。即使因建筑物的重要性等級較高而需要提高其配筋率，也應控制在較小的幅度內(nèi)，否則將大幅增加用鋼量。 5.構件設計： 構件的設計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235(類似A3)和Q345（類似16Mn）通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。當強度起控制作用時，可選擇Q345；穩(wěn)定控制時，宜使用Q235。 構件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。 當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過

10、的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級，并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結構師很多工作量。但是，初學鋼至少應注意兩點： （1）軟件在做構件（主要是柱）的截面驗算時，計算長度系數(shù)的取定有時會不符合規(guī)范的規(guī)定。目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節(jié)點連接情況復雜或變截面的構件，結構師應該逐個檢查。 （2）當預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區(qū)別對待。 強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。 變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經(jīng)濟。 使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區(qū)分，實際上，常常并不合適。 三、結語 鋼筋混凝