浅谈如何做好建筑框架结构设计的优化工作

李国彪

引言：随着建筑工程施工要求的不断提升，对建筑框架结构安全等级、抗震设防等级、耐火等级也有了新的要求，必须对建筑框架结构主体及主体设计进行缜密计算，以此对框架结构做出预防性的合理布局。本文以某建筑框架结构工程为例，通过实例对提高框架结构设计的方法进行研讨，为框架结构设计及实践操作提供参考。

一、建筑工程框架结构设计的基本原则

建筑工程框架结构设计，要求在明确结构安全等级、抗震标准、耐火等级等的基础上，根据国家相关规范，确定框架设计的标准。其基本原则包括计算性、全面性、预防性几方面原则，以下作一一分析：

（一）计算性原则。由于框架结构设计涉及到抗震设防各种数据，无论是楼盖的布置，还是场地土的改善，都需要对框架结构相关的刚性数据、柔性数据等进行计算，譬如在设计抗震设防烈度8度剪力墙的时候，双向梁柱刚接体系需要重点考虑垂直地震作用，因此从震害的视角分析，要通过缜密计算得出垂直作用力相关的数据，方可保证剪力墙满足既定的抗震设防要求。

（二）全面性原则。框架结构设计具有复杂性的特征，涉及到框架梁、框架柱等设计内容，因此在设计时需要对相对独立的设计项进行统筹兼顾，譬如在设置大跨度雨棚时候，要根据梁中心线位置的负弯矩和跨度，考虑如何提高抗扭的水平，另外在设置框架梁和框架柱的时候，要根据梁截面的大小，对相应构建的配筋率进行计算。

（三）预防性原则。框架结构设计的最终目的是提高结构的稳定性，预防地震等对结构的破坏，为此在设计框架结构的时候，要考虑各种可能影响结构刚度的因素，譬如电梯梯井设置刚度较大的混凝土墙，但其他位置不设置剪力墙，为满足伸缩缝的要求，需要通过配筋率加大、架空层铺设等方式，做出结构预防性的合理布局。

二、建筑工程框架结构设计案例分析

（一）工程基本概况。案例工程为4层的框架结构住宅楼，工程拟设计的抗震设防烈度为6度，其中框架梁和框架柱以Q235钢作为主材料，楼屋面则以钢板和现浇混凝土形成层高3m、平均跨度6.4m的组织框架结构。该建筑框架结构至少能够承受0.5kN/m2 的风压和雪压，楼层结构的活荷载标准设计值为2.0kN/m2。工程借助结构设计软件，在平面建模基础上，计算出框架结构的强度计算应力、平面内外稳定应力、上翼缘受拉时截面最大应力、下翼缘受拉时截面最大应力、剪应力等。

（二）工程设计依据。基于案例工程基本概况，工程根据实际确定了框架结构设计的依据内容，大致为：1）规范文件。框架结构设计以国家规范、现场勘察资料、业主提供设计意向书为规范文件，设计单位不得脱离这些规范文件基本要求范围，并综合工程现场的实际条件，结合现场情况展开设计工作。2）抗震条件。框架结构的设计，抗震等级、抗震设防烈度、场地情况等，将结构划分为四级抗震等级的结构类型，其中一级抗震等级要求最为严格，是框架结构设计的核心内容。3）场地条件。其中包括施工现场土体的类型和等级，以及是否存在地下水和地基土冻结深度等。案例工程以此在地基处理方案中明确了持力层和地耐力特征值，并对结构混凝土的材料等级、强度等级和耐久性等做出了一系列的标准性规定。

三、结合该案例提出框架结构设计的几点建议

通过对以上案例工程的分析及该工程结构设计基本数据的计算，我们要进一步根据计算结果设计钢筋混凝土的框架结构，并利用复形状法对框架结构设计的结果进行优化，具体有以下几点建议：

（一）结构设计计算。首先，借助PKPM，TAM，SATWE 软件，计算框架结构梁和结构柱的强度、稳定性、刚度等。在明确同个截面位置两轴弯矩的基础上，根据轴线净截面的模量、截面塑性发展系数、结构抗弯强度设计值，计算出结构的抗弯强度。然后通过截面沿腹板平面作用的剪力、中和轴面积矩、毛截面惯性矩、腹板厚度、抗剪强度设计值，计算出结构的抗剪强度。根据局部集中荷载、集中荷载增大系数、集中荷载假定分布长度，计算出局部承压力。根据腹板同时产生的正应力、压应力、剪应力，以及折算应力强度设计值的增大系数等，计算出结构的折算应力。根据结构荷载的标准值和框架结构梁的容许挠度值，计算出框架结构的刚度，需要根据结构力学的方法，以及借助力学软件。

（二）钢筋混凝土框架结构设计。在设计之前，需要对设计图纸文件进行全面了解，以规范设计工作流程的细节性内容，形成具有较强可行性的设计方案。在了解设计方案意图的时候，除了需要掌握图纸每项设计内容的细节，还要根据图纸的要求，以会审的方式解决相关的设计问题，避免这些问题对结构设计效果的影响。案例工程的框架梁和框架柱采用现浇钢筋混凝土的结构模式，在设计结构体系的时候，要以整体性和抗震性作为结构的功能目标，但出于对现浇钢筋混凝土工程量因素的考虑，框架结构所需的梁柱和楼板，均在施工现场进行预制装配，即在施工现场对钢筋混凝土的框架结构进行焊接和拼装，而某些特殊构件可按照相关的标准委托工厂生产，以此作为框架结构设计的主要方式，不仅能够提高框架结构的整体性能和抗震性能，而且能提高施工效率。

（三）利用复形法优化框架结构设计结果。复形法主要针对无约束优化问题的求解，具有适用范围广、简单直接、出错率低等优点，在建筑框架结构设计中，可利用复形法对设计的结果进行优化，主要分为主体优化设计和分部优化设计两级：

1）框架结构主体设计优化。首先是框架结构梁截面和结构柱截面特性关系的建立，利用统计归纳的方法，在确定截面惯性矩、抵抗矩、截面面积的基础上，根据截面惯性矩分析框架结构的内部应力分布情况，以及根据抵抗矩和截面面积确定框架结构的应力大小。其次是钢架结构模式的优化，涉及到的因素包括设计变量、目标函数、约束条件、计算模型，其中设计变量与框架结构梁和结构柱的惯性矩有关，由框架结构梁和结构柱的数量决定，而目标函数则根据梁跨度、柱高度等已知的定值，用于表示框架结构的重量函数。最后是结构梁柱截面惯性矩的优化设计，可借助之前构建的计算模型，利用复形法编制的分析程序，确定最优的截面惯性矩。2）框架结构分部设计优化。首先是结构梁优化计算模型，即根据翼缘截面、宽度、厚度和腹板高度、厚度，对截面形式进行描述，然后根据梁的抗剪强度条件、稳定性条件、界限约束等约束条件，设置目标函数。其次是结构柱优化计算模型，即根据截面翼缘宽度、厚度和腹板高度、厚度，确定需要优化的设计变量，以及根据结构柱的局部稳定性、界限约束等约束条件，设置优化的目标函数。

结语

通过以上案例综合分析，我们要针对建造项目的基本数据进行合理及缜密的计算，通过综合考虑得出最佳优化方案，另外还要严格控制施工质量，把好施工现场，保证施工质量才可以有效的把建造结构优化设计方案落实到实处，进一步提高建筑项目的工程质量和经济效益。

参考文献

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[2]张腾元.试论框架结构设计中的力学问题[J].科技致富向导2011年29期.

[3]于桥.建筑框架结构设计原则及存在问题和解决措施[J].山西建筑.2012（26）.

（作者单位：高州市建筑设计院）