基于SATWE计算结果的混凝土构件优化设计

崔亚男，单俊鸿，王 飞

(河北工程大学，河北邯郸056038)

在建筑结构设计中，方案优化设计是一个重要的系统工程，它真正体现了结构合理前处理的概念，对结构造价有着关键影响，设计人员需要严格遵守“经济、实用、合理”的原则，把握优化设计的重要性，确定合理的结构方案，主动采用科学的控制方法，对结构进行优化。

1 整体分析

对结构进行优化之前，首先要确保依据现行规范的具体规定以及pkpm软件手册对参数意义的描述，考虑工程实际，将软件中包含的初始参数以及特殊构件已经正确设置，否则对结构进行优化毫无意义。其中振型组合数、最大地震力作用方向和结构基本周期计算之前很难估计，需要先进行试算取得合理取值，才能保证计算结果不失真。

1.1 振型组合数

振型组合数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量，取值不合理会导致计算结果不准确。《高层建筑混凝土结构技术规程》(简称《高规》)和《建筑抗震设计规范》(简称《抗震规范》)振型数量取值做出了说明。一般而言，振型数目与结构层数以及结构的自由度有关，当结构层数较多或结构层刚度突变(弹性节点、多塔楼、转换层等结构形式)较大时，振型数应多取一些［1］、［2］。操作方法是根据经验预设一个组合数，计算直至两个方向的质量系数均大于0.9为止。结构的振型组合数并非越大越好，输入的最大值不能超过结构的总自由度。

1.2 最大地震力作用方向

在pkpm中参数输入中，最大地震力作用方向的缺省值是0，计算完结构受力后，需要确认其数值。如果计算书中地震作用最大的方向的绝对值如果大于15°，需要重新输入软件进行计算。

1.3 结构基本周期

结构基本周期对风荷载的计算有很大影响。由于不能事先确定，一般先利用软件中的缺省值进行试算，之后在计算书中找到计算周期值，回代到“结构基本周期”选项，重新进行计算。只有将模型中的参数正确设置，才能保证计算结果合理可靠。

2 混凝土构件配筋及钢构件验算简图

2.1 混凝土梁的优化设计

梁显示超筋有以下情况:(1)当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋;(2)规范对混凝土受压区高度限制，ξ不满足规范要求;(3)《建筑抗震设计规范》规定梁端纵向受拉钢筋的配筋率不宜大于2.5%，这种情况下可能提示超筋;(4)混凝土梁斜截面的计算必须满足规范最小截面的要求，否则提示超筋［2］。混凝土梁宜处于单筋受力状态，如果计算结果为双筋受力状态，最好加大梁截面尺寸，重新计算。梁配筋不超限的情况下，梁的经济配筋率一般为0.6% ～0.15%，简略计算构件配筋率，如有调整空间，可以修改截面尺寸，尽量满足经济配筋率。梁上部通长筋，应尽量选用较细钢筋，可减少梁的裂缝，并且还可以减少钢筋锚固长度，如选择14 mm、16 mm或18 mm。

2.2 剪力墙的优化设计

剪力墙显示超筋有以下情况:(1)剪力墙暗柱超筋，软件对暗柱的最大配筋率限制是按照4%控制的，而规范要求剪力墙主筋的配筋面积以边缘构件方式给出，没有限制最大配筋率。所以程序给出的剪力墙超筋是警告信息，需要酌情考虑;(2)剪力墙水平筋超筋说明该结构抗剪不够，应予以调整;(3)剪力墙连梁超筋大多数情况下是在水平地震力作用下抗剪不够［5］。规范中允许对剪力墙连梁的刚度进行折减，经过折减的剪力墙连梁在地震作用下基本上都会出现塑性变形，即连梁开裂。设计人员在进行剪力墙连梁设计时，还应考虑其配筋是否满足正常状态下极限承载力的要求。对剪力墙计算轴压比是为了控制在地震力作用下结构的延性，规范提出了剪力墙轴压比的计算要求。《高规》中规定的短肢剪力墙轴压比按双向计算，而软件在计算断指剪力墙轴压比时，是按单向计算的，设计人员需要进行复核验算。

2.3 混凝土柱的优化设计

柱轴压比计算:柱子轴压比超限，需要加大柱子截面尺寸，柱的经济配筋率一般为0.8% ～2%，不要超过最小配筋率太多。轴压比的计算在《高规》和《抗震规范》中的规定不一致，《抗震规范》第6.3.6条规定，计算轴压比的柱轴力设计值既包括地震组合和非地震组合，而《高规》第6.4.2条规定，计算轴压比的柱轴力设计值仅考虑地震作用组合下的柱轴力。软件在计算柱轴压比时，当工程考虑地震作用，程序仅取地震作用组合下的的柱轴力设计值计算;当该工程不考虑地震作用时，程序才取非地震作用组合下的柱轴力设计值计算。对于同一个工程，两种计算方法结果不一样，设计人员应该予以考虑。

3 周期 振型 地震力

3.1 结构的周期

根据经验，结构的自振周期在考虑折减系数后需控制在一定的合理范围内。如结构的基本自振周期(即第一周期)大致为:框架结构 T1≈ (0.12 ～0.15)n，一般为 0.3 s～0.9 s;框剪和框筒结构T1≈ (0.08～0.12)n;剪力墙和筒中筒结构 T1≈(0.04 ～0.06)n(n为建筑物的总层数)。

第二周期、第三周期与第一周期的关系大致为，T2≈(1/3 ～1/5)T1，T3≈(1/5 ～1/7)T1。计算周期偏长，代表结构过“软”，所承担的地震剪力偏小，说明抗侧力构件(柱、墙)截面太小或布置不当;若周期偏短，代表结构过“刚”，所承担的地震力偏大，说明抗侧力构件截面太大或墙的布置太多或墙的刚度太大(宜设置结构洞减小其刚度)［4］。如果抗侧力构件的截面尺寸、布置都很正常，如果自振周期偏差太大，需要重新检查输入数据是否有误。对20层以上的高层建筑结构，如果一切正常，其基本自振周期一般在2.0～3.0之间(次长周期)，结构设计人员需要增加地震力(调整系数取1.5～1.8)重新计算。另外就是控制结构的周期比，周期比是控制结构扭转效应的重要指标，目的是更有效更合理的布置抗侧力的构件，使结构不至出现过大的扭转。《高规》第3.4.5条对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出了规定。如果周期比不满足规范要求，说明该结构的扭转效应明显，设计人员需要增加结构周边构件的刚度，降低结构中间构件的刚度，从而增大结构的整体抗扭刚度。软件并不直接给出结构的周期比，需要设计人员根据计算书自行判定。实用周期比计算方法是:(1)扭转周期与平动周期的判断。在计算书中找出所有扭转系数大于0.5的平动周期，按周期值从大到小排列。同理，将所有平动系数大于0.5的平动周期值从大到小排列;(2)第一周期的判断。从中选出数值最大的扭转(平动)周期，查看软件的“结构整体空间振动简图”，看该周期值所对应的振型的空间振动是否为整体振动，如果仅仅引起局部振动，不能作为第一扭转(平动)周期，然后从中取出下一个周期进行考察，以此类推，直至选出位置［3］～［5］;(3)周期比计算:将第一扭转周期值除以第一平动周期即可。利用以上的方法就可以计算出周期比。

3.2 振型曲线

结构设计人员需要观察结构的位移大致曲线查验是否合理。框架结构的位移曲线，具有剪切梁的特征，位移越往上增长越慢，呈内收型曲线;剪力墙结构的位移曲线，具有悬臂弯曲梁的特征，位移越往上增长越快，呈外弯型曲线;框剪结构及框筒结构的位移曲线，介于以上两者之间，呈反S型曲线、中部接近为直线［6］。对于竖向刚度和质量比较均匀的结构，如果计算正常，其振型曲线应是比较连续光滑的曲线，不应有大进大出、大的凹凸曲折，否则需要检查模型及参数输入正确与否。

3.3 地震力

结构承担的地震力大小可用底部总剪力与结构总质量之比(剪质比)来衡量。层数多、刚度小的结构，其剪质比偏小，宜适当增大构件截面或提高结构刚度，从而增大地震力以保证结构的安全;反之，地震力过大，宜适当降低结构刚度，以取得合理的经济技术指标［7］～［9］。对框剪结构，还要分析剪力墙部分所承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%，以检查其框架部分的抗震等级确定的是否合适。

3.4 层间位移

位移比(层间位移比)是控制结构平面不规则性的重要指标。规范中规定的位移比限值是按刚性板假定作出的，如果在结构模型中设定了弹性板，则必须在软件参数设置时选择“对所有楼层强制采用刚性楼板假定”，以便计算出正确的位移比。在位移比满足要求后，再去掉“对所有楼层强制采用刚性楼板假定的选择，以弹性楼板设定进行后续配筋计算。此外，对选择偶然偏心，单向地震，双向地震下的位移比，设计人员应正确选用。抗震规范中规定了层间弹性位移角和层间弹塑性位移角限值，实际上为了控制层间水平位移不至过大，避免带来结构的P－Δ效应［8］。如果计算结果显示层间位移角超限，首先检查基本数据正确与否，其次查看数据结果中位移角是普遍偏大还是局部偏大还是某层偏大，然后根据上面的结果采取相应措施，比如调整柱子剪力墙截面，增加结构刚度(如结构拐角部位)等。

4 重要指标查询判定

4.1 刚度比

刚度比是控制结构竖向不规则的重要指标。根据规范的要求，软件提供了三种计算刚度比的方法，分别是剪切刚度、剪弯刚度和与地震力相应的层间位移比。计算的关键在于正确把握这三种刚度比的计算方法和适用范围。剪切刚度主要用于底部大空间为一层的转换结构及对地下室嵌固条件的判定;剪弯刚度主要用于底部大空间为多层的转换结构。

4.2 层间受剪承载力之比

此参数也是控制结构竖向不规则的重要指标，可参考《抗震规范》和《高规》查询其限值。

4.3 刚重比

刚重比是结构刚度与重力荷载之比。它是影响重力二阶效的主要参数，也是控制结构整体稳定性的重要因素。该值如果不满足要求，可能会引起结构失稳倒塌，设计人员应当引起重视。

4.4 剪重比

剪重比是抗震设计中非常重要的参数。规定剪重比的目的在于结构在长期作用下，地震影响系数下降较快，由此计算出来的水平地震作用下的结构效应可能太小。对于长周期结构，地震动态作用下的地面加速度和位移可能会对结构造成更大的破坏，但采用振型分解法时无法准确判断。因此，规范规定了各楼层水平地震力的最小值，如果该值不满足要求，说明结构有可能出现比较明显的薄弱部位，设计人员需要进行调整。

5 结束语

其他参数本文不再详述。通过对以上参数修改校对模型，可以对混凝土构件进行合理优化，使结构布置安全科学，降低工程成本，因此对结构设计人员提出了更高的要求，不能完全依赖计算机处理后的数据。最终要对配筋作出合理性审核，不管是结构平面布置与截面形式，还是钢筋排数、直径、架构等，都要进行仔细推敲，如果配置不合理或不便于施工的，还要做最后的调整计算，使结构达到最大程度的优化。

［1］吴辉琴，刘齐茂，刘岩.在强烈地震作用下建筑结构的优化设计［J］.建筑科学，2009(4)

［2］张红友.优化结构设计减少建筑投资成本［J］.陕西建筑，2008(11)

［3］孙结.钢筋混凝土结构优化设计探讨［J］.安徽建筑，2010(5)［4］肖广成，郝健.高层建筑混凝土结构优化探讨［J］.城市建设理论研究，2012(3)

［5］肖伟.通过房屋结构优化设计提高房屋抗震性能［J］.福建建筑，2008(11)

［6］李惠强.高层建筑施工技术［M］.北京:机械工业出版社，2005

［7］肖峻.高层建筑结构分析与设计［J］.中化建设，2008(12)

［8］范小平.高层建筑结构概念设计中相关的几个问题应用分析［J］.福建建材，2008(5)

［9］周小平，郑怡.可靠指标约束条件下混凝土结构优化设计［J］.中国水运，2008(3)