浅谈结构的优化设计

李静 言景 杨虹

1 结构优化设计目的

由于在建筑产品成本中结构所占的比重很大,通过对建筑结构进行优化设计,使结构设计合理化,从而实现投资效益的合理化,不仅能提高建筑的安全度,而且还能有效的节约造价。

2 合理选择结构体系

从结构角度出发,主要考虑两个问题:1)满足建筑功能要求。一般商场、车站、展览馆、餐厅、停车场等多采用框架结构;高层住宅、公寓、宾馆等多采用剪力墙结构;商店、写字楼、教学楼、科研楼、病房楼等以及综合性公共建筑用框架—剪力墙结构、框架—核心筒结构较多。2)按结构设计要求。对钢筋混凝土结构,一般多、高层建筑结构可根据房屋高度、高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、结构材料和施工技术条件等因素初步选择结构体系[1]。

同时还应注意以下几点:1)结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。2)结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。3)结构体系应具备必要的承载能力,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。4)结构体系宜有多道抗震防线,加强关键部位和薄弱环节的处理。5)结构体系宜具有合理的刚度,单纯增加结构截面尺寸来加大刚度,有时会适得其反,如果配筋构造等措施没有相应跟上,反而会造成结构的隐患,多花了材料、成本,反而损坏了结构的延性和安全度。

3 充分利用材料性能

根据结构的受力特点,充分利用材料的性能,扬长避短,满足结构的可靠性和经济性。

例如,拱是一种有水平推力的结构,它的主要内力是轴向压力,受力均匀合理,可以充分发挥材料的抗压性能。悬索结构的索网是中心受拉构件,既无弯矩也无剪力,它能充分发挥材料的抗拉性能。在大跨度结构中,采用两种形式相结合也是非常经济合理的,例如美国雷里竞技馆[2]的结构体系,正是把这两种结构形式非常巧妙的结合起来,屋盖采用悬索结构,悬索的拉力传到两个交叉的钢筋混凝土斜拱上,斜拱受压。

再如,对现浇板的混凝土强度等级和钢筋强度等级的选用。

由混凝土规范[3]对板类构件的最小配筋率规定(ρmin=0.45ft/fy且不小于0.20%)可知,配筋率随混凝土强度等级的提高而增大,随钢筋强度等级的提高而减小,因此,当板类构件的配筋由最小配筋率控制时,过高的混凝土强度等级会使其配筋量增多,从而使得板类构件既不合理又不经济,特别是当采用HPB235级钢筋时更为明显。

此外,由于现浇屋面板在混凝土硬化过程中水化热高,收缩大,易产生收缩裂缝。所以,混凝土强度等级不宜选择过高,比较合适的混凝土强度等级在C20～C30之间,一般不超过C35。

关于钢筋的选用,衡量其经济性的不是钢筋的实际价格,而是其强度价格比,即每元可购买的单位钢筋的强度。强度价格比高的钢筋比较经济,不仅能减少配筋量,方便施工,还可以减少在加工、运输和施工等方面的各项附加费用。所以板类构件的受力钢筋,建议优先选用HRB400级或HRB335级钢筋,而不宜选择HPB235级钢筋。这两类钢筋除强度较高外,延性及锚固性能也好,无需像HPB235级钢筋那样,为满足粘结力要求末端还要加弯钩。但是,采用HRB400级或HRB335级钢筋做板的受力钢筋时,对大跨度板应进行最大裂缝宽度、挠度的验算[1]。

4 正确进行结构计算

首先须注意结构模型与实际结构的差异。所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的,而实际结构的受力状态又是千差万别的,所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系,并利用结构概念、工程经验对结构进行分析,判断是否合理,以确保最终结构设计的正确。

例如,某工程顶层水箱下的大梁一端支撑在剪力墙井筒的墙壁上。电算结果为梁的负弯矩很大,需要配很大的支座钢筋。但实际上,支座处墙壁只有300 mm厚,翼缘较远,墙壁根本承受不了支座弯矩,而电脑软件则将整体井筒作为一个薄壁构件来计算,刚度很大,所以能承受很大的弯矩,这就是计算模型与实际结构不符。其结果将是墙壁出现裂缝转化为铰接,梁的支座钢筋起不了作用,梁的跨中钢筋不够,从而导致梁及水箱破坏。再如,边梁与楼板的约束关系,一般认为板的边支座为铰接,但当边梁为特殊构件而刚度增加时,就不是铰接,结果自然是错误的[4]。其次,还应注意结构计算参数的合理性。例如,尽管填充墙为“非结构”构件,但地震时填充墙实际上也受力。无论是强度和刚度相对较高的砖墙,还是相对“柔弱”的轻质砌块,在水平方向荷载作用下都能充分发挥其抗侧能力,并对结构侧移产生较大的影响。同时,填充墙对主体结构动力特性也有较大影响。结构周期为结构动力特性参数中重要的参数之一,目前在工程计算中常采用周期折减系数方法调整结构的自振周期,这一取值与实际工程应用数值间存在差异。因此,要根据不同的结构形式以及填充墙的材料和数量,选取恰当的数值对计算周期进行折减,若折减系数选取偏大,会使计算地震力小于实际的地震力,造成结构设计偏于不安全,反之则不经济。

5 树立概念设计理念

有人认为结构的安全就是多配一点钢筋,工程中也流行这么一句“说不清,配钢筋”。其实不然,如某结构超筋,不管你再怎么加大配筋率,构件的安全性也不会提高而延性降低,这样既不安全又不经济。又如,在静力设计中,任何构件的超强设计都不会影响整体结构的安全,但在抗震设计中,某一部分结构设计超强,就可能造成结构的相对薄弱部分。因此,在设计中不合理的任意加强以及在施工中以大代小变配筋都需要慎重考虑[5]。

在“汶川地震”中发现:对于框架结构,普遍情况是底层柱头出现塑性铰,梁铰耗能机制出现较少,仅在一些竖向荷载较小的楼板约束作用弱的边框架上出现。抗震设计的基本理念之一“强柱弱梁”没有很好的实现。分析原因,一方面由于板的约束提高了梁的承载力;另一方面,在目前工程中,梁的跨度越来越大,相应的梁尺寸加大,从而梁的负筋配筋量加大,再加上有些设计人员为了结构的安全,以为梁的配筋越多安全储备就越好,盲目地增加配筋量,从而实配钢筋远大于计算配筋。这样不仅没有达到预期的安全度,而且也浪费了钢筋,增加了造价。

因此,要有正确的结构设计理念。一方面,应适当考虑现浇楼板中的钢筋对框架梁端部实际的正截面抗震受弯承载力的影响,建议计算程序在强柱弱梁的计算中留有开关,以便设计人员可根据楼板负弯矩钢筋的实际配置情况,对用于强柱弱梁验算的梁端组合负弯矩设计值乘以适当的放大系数。另一方面,应严格控制梁端实配钢筋,对梁端负弯矩钢筋不应超配(控制实配钢筋不超过计算钢筋面积,一般情况下,可取实配钢筋面积为0.95倍～1.0倍的计算钢筋面积);对梁端正弯矩钢筋应控制超配比例(一般情况下,可控制超配系数在10%以内)[6]。

6 结语

对建筑结构进行优化设计,以期获得结构设计的合理化,一直是每个设计人员所期盼的。文中主要从结构体系、材料的选取到进行正确的结构计算、树立概念设计理念等方面进行了系统的阐述,对结构优化设计有一定的价值。

[1]徐 建.建筑结构设计常见及疑难问题解析[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:111-115.

[2]江见鲸,郝亚民.建筑概念设计与选型[M].北京:机械工业出版社,2004:248-249.

[3]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

[4]史有涛.论结构优化设计[J].建筑科学,2006(6):74-77.

[5]胡庆昌.建筑结构抗震减震与连续倒塌控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:2-5.

[6]朱炳寅.影响强柱弱梁的主要因素及设计对策[J].建筑结构·技术通讯,2008(7):12-15.

[7]赵丽清.浅谈高层建筑结构分析与设计[J].山西建筑,2007,33(14):68-69.