結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用鋼量優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中用鋼量優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討摘要：這樣個別處理要比大面積增加用鋼量更科學(xué)經(jīng)濟(jì)。利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)最大，而內(nèi)部墻體則貢獻(xiàn)甚微。在滿足結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì) 一、前言 單體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物，其單位面積用鋼量的大小不僅反映出設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平，更重要的是其已成為投資方最為關(guān)注的指標(biāo)，它將直接影響房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，對此設(shè)計(jì)方都應(yīng)且必須給予充分的理解和重視。以下主要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如

2、何優(yōu)化用鋼量加以探討。 二、結(jié)構(gòu)布置 （一）豎向構(gòu)件布置 建筑條件圖提出后，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)還需在條件圖基礎(chǔ)上布置合理的剪力墻，在此結(jié)構(gòu)方案階段必須通過初步計(jì)算比較，提出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，這對整個工程鋼筋用量起著很重要的作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作就是合理地確定墻柱截面，墻柱一般是壓彎構(gòu)件，其配筋量在多數(shù)情況下搜采用構(gòu)造配筋，因此在其混凝土強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柱截面種類不宜過多是設(shè)計(jì)中的一個原則，在柱網(wǎng)疏密不均的建筑中，某根柱或?yàn)閿?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(jì)合理的做法應(yīng)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(dá)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(xué)經(jīng)濟(jì)。利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)最大，而內(nèi)部墻體則貢獻(xiàn)甚微。在滿足結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)盡量小，只要符合模數(shù)，幾乎可以每層都收級，但從結(jié)構(gòu)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(xué)，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(gòu)件布置 通常只的是樓層梁板構(gòu)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(shè)計(jì)中不能本末倒置。對于公共建筑的樓層，如結(jié)構(gòu)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(yīng)盡量增大板跨，而沒必要也不應(yīng)凡遇隔墻就設(shè)梁。當(dāng)采用高強(qiáng)鋼筋時，應(yīng)使板的配筋由內(nèi)力控制而非按構(gòu)造配筋，否則將得不償失。當(dāng)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(gòu)件的配筋構(gòu)造 由于設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確具體的規(guī)定，設(shè)計(jì)時都不應(yīng)違反，但在符合規(guī)范規(guī)定的前提下，仍有不少設(shè)計(jì)技巧能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。 1、柱：設(shè)計(jì)中應(yīng)通過混凝土強(qiáng)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(gòu)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(qiáng)度鋼筋比低強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(dān)的彎矩，有時干脆可將梁柱頂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(qiáng)度等級不宜過高，二是采用高強(qiáng)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(gòu)件的梁的抗裂性能。對截面寬度較小的梁，當(dāng)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(dāng)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(dá)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(gòu)造配筋，按此結(jié)果樓板配筋只有采用HRB335或HRB400才能達(dá)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(shè)計(jì)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(yīng)分板帶配筋，其次當(dāng)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(dāng)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?fàn)帀Ψ譃榧訌?qiáng)部位和非加強(qiáng)部位兩類，高烈度區(qū)一般前者必須按約束邊緣構(gòu)件配筋，后者則按構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋。不管是節(jié)點(diǎn)區(qū)還是其余墻段，前者的配筋量均遠(yuǎn)大于后者，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分抗震墻的加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位，以達(dá)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(gòu)造配筋，這樣其節(jié)

9、點(diǎn)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(yīng)控制在較小的幅度內(nèi)，否則將大幅增加用鋼量。 5.構(gòu)件設(shè)計(jì)： 構(gòu)件的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時，可選擇Q345；穩(wěn)定控制時，宜使用Q235。 構(gòu)件設(shè)計(jì)中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈性方法并不匹配。 當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時不通過

10、的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級，并自動重新分析驗(yàn)算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師很多工作量。但是，初學(xué)鋼至少應(yīng)注意兩點(diǎn)： （1）軟件在做構(gòu)件（主要是柱）的截面驗(yàn)算時，計(jì)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(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個檢查。 （2）當(dāng)預(yù)估的截面不滿足時，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對待。 強(qiáng)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(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會很不經(jīng)濟(jì)。 使用軟件的前述自動加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分，實(shí)際上，常常并不合適。 三、結(jié)語 鋼筋混凝