解析建筑钢结构的优化设计.doc

1、1解析建筑钢结构的优化设计摘要：近年来我国城市建设不断加快，各类高层建筑项目越来越多，建筑行业逐步成为我国经济发展的支柱产业。如何在保证建筑工程质量的前提下节约资金、降低成本，是建筑设计师必须认真考虑的问题。对高层建筑中混凝土结构设计进行优化是节约建筑成本的有效措施，这也是本文探讨的重点。 关键词：高层建筑；混凝土；优化设计；方法 中图分类号：TU97 文献标识码：A 在现代建筑中，混凝土结构以其强度高、耐久性好、坚固抗震等优点获得了广泛的应用，并且近年来一些新材料、新技术的逐步应用，在很大程度上提高了混凝土结构的施工效率，减少了施工成本，但是在建筑设计中依然存在一些不合理的现象，因此必须进行

2、优化，才能促进建筑行业的可持续发展。 一、高层建筑混凝土结构的基本要求和类型。 建筑因其高低的不同，它承受力的大小和方向也是不同的。对高层建筑来说，建筑结构承受力的方向同时有水平和竖向两种力的作用。这与低层建筑是不同的，低层建筑结构承受的力方向主要是竖向的荷载，水平力的作用对结构的影响不大。1水平荷载不仅仅在高层建筑中是一种主要的荷载，而且它和竖向荷载相互影响，相互作用，共同对建筑施加影响，成为混凝土就够设计中主要考虑的因素。 2考虑到高层建筑的这些特点，在混凝土的选用上就需要提高混凝土的质量和数量。首先，我们要对混凝土出厂前进行相关的技术处理，目的是减少水泥的水化热作用，这样可以降低混凝土自

3、身的温度，保证其质量。其次，施工前必不可少的要进行一些必要的应急准备措施，以防在施工时出现意想不到的情况，以确保精心组织、精心施工，万无一失地完成任务。最后，在施工当中，最好采用预拌泵送混凝土，加大对混凝土施工细节的注意，比如混凝土施工缝等。我们讨论的混凝土结构优化设计以及节约建筑成本，都应该在达到高层建筑混凝土结构的基本要求的基础之上进行。 目前我国采用的高层建筑混凝土结构按照时间的发展顺序主要以下几种2： 1、钢筋混凝土结构： 与钢结构相比，钢筋混凝土结构的优点在于整体性好、耐高温性强、舒适度较好、抗腐蚀强、成本低、刚度大、维护方便等。现在，随着我国混凝土技术的发展和混凝土理论（高强混凝土

4、、钢管混凝土、钢混凝土、轻混凝土）的发展，我国的钢筋混凝土的发展已经达到了成熟阶段。在我国钢筋混凝土材料受到了很高的重视，应用在很大一部分高层建筑中。 2、组合结构： 相对于钢筋混凝土来说，组合结构更具优点。这些优点主要在于节约钢材、减少污染、提高科技含量、加快施工进程等。所以，对于高层建筑来说，组合结构可以在一定程度上取代钢筋混凝土结构，这就较少3了高层建筑的横向和纵向的压力。不仅如此，组合结构在冶金、造船、电力、交通等方面也逐步开始得到应用。 3、新型结构： 相对于钢筋混凝土结构和组合结构，新型结构体系的区分标准是筒体的组成方式。新型结构体系主要有三种类型：框筒体系、筒中筒体系、多束筒体系

5、。之所以称之为新型结构主要是因为与传统的单片平面结构相比，筒体结构可以承受更多的荷载力。在我国，筒体结构的应用并不少见，主要应用的高层建筑的特点是功能多、用途多、楼层高、层数多等。 二、高层建筑混凝土结构设计特点 与多层建筑的结构设计不同，高层建筑的结构设计需要考虑的因素更多，设计中所涉及到的问题更为复杂，设计难度更大。这是因为高层建筑不但增大了对地基基础的荷载与强度要求，同时其自身的结构构件柱、墙、梁、板的承载能力、抗震能力也都需要得到保证，只有这样才能确保建筑自身的稳定性与安全性3。 1、水平侧向力是影响高层建筑结构设计中关于变形设计的主要影响因素。高层建筑受到的水平力主要为日常的风荷载及

6、地震荷载作用下产生的水平地震力。与普通多层建筑相比，高层建筑的结构中更需要考虑到侧向力对建筑结构的影响，这是因为高层建筑受到水平荷载会产生较大的水平位移，影响到建筑结构的整体稳定性和舒适性。因此在结构设计中要尤其注意考虑到这一点。 2、结构的刚度布置需适宜。有人认为在建筑结构的设计中，结构的4刚度越大则其承载能力越强，抗震性能就越好。其实不然，高层建筑的结构并非是刚度越大越好，刚度及质量越大，吸引的地震力也越大，同时造价也会提高，所以高层建筑结构需同时具备一定的柔性，这样才能增大其抗震性能，保证其在外力作用下，不会因刚度和脆性过大而发生倒塌。因此在设计中应该将建筑的刚度控制在适宜的范围内，不可

7、过大，也不可过小。这也就要求高层建筑应当具备一定的延性，同时满足建筑的承载能力和抗震能力。 三、钢筋混凝土结构优化设计应用分析 1、工程概况 某钢筋混凝土框架剪力墙结构建筑由四层裙楼和 A、B 两栋高层建筑组成，地下两层为停车库和设备用房。总建筑面积约 2 万 m2，房屋平面布置为不规则形状4。 2、结构设计要求 本工程采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，建筑结构的安全等级为二级。地震基本烈度为 7 度（0.1g，第二组，特征周期 0.4s） ，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为 7 度（0.1g，第二组） 。地基基础设计等级为乙级。上部结构和负一层的框架抗震等级为二级，剪力墙为二级结构，负二层的框

8、架抗震等级为三级。基本风压：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度为 B 类。 3、设计优化的原则 在满足结构设计现行规范和相关规定的前提下，通过大量计算和经验分析进行优化，遵循以下原则：保证结构的安全性和正常使用；保证5结构具有合理的刚度，特殊部位应有局部加强；可以减小的结构构件，应进行有效的核减。 4、结构优化设计 高层框架剪力墙结构体系中，主要是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计，其中剪力墙的设计位置和数量就是关键。 1）结构最优设防的选择 在预测地震烈度概率分析的基础下，使用专业地震安全评价报告的数据，采用模糊综合评定分析法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度，损失等级概率和震害损

9、失的概率预估期望值，在满足最大投资期望和最大损失约束条件下，求出最优地震设防烈度值。 2）框架与剪力墙协同工作，承载力、刚度、延性能力的最佳匹配设计 框架剪力墙结构的设计主要是结构刚度和结构延性的最佳组合。结构刚度对结构的主要影响为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力能力的前提下的变形能力，因此可以采用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性，按规范对层间位移量和顶点位移总侧移的限值来控制结构的刚度和延性设计。 3）框架剪力墙结构的优化设计 框架剪力墙结构优化设计的原则就是优化结构的各个杆件，结构模型计算时，通过一次性完成的结构构件的输入，然后逐步优化各个杆件，以达

10、到结构杆件合适、配筋合理，节约工程造价。 4）基础优化设计 6在地下室基础的初步设计工作中，原初步设计地下室基础拟全部采用筏板基础，经审核计算后，提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法能做到节约钢筋、混凝土。同时保证结构安全，施工简便，能达到更加节省工程造价目的。 5）强化“强柱弱梁、强剪弱弯”设计理念 框架结构的柱、剪力墙设计要引起重视，要加强设计；而梁和板的配筋不宜调大，梁的设计变量主要是截面高、宽及纵向受拉钢筋的截面积和架立钢筋的截面积，优化设计主要针对以上设计变量进行优化，因此梁的截面尽量按正常值取定，少做宽扁梁，配筋率也应控制在 1.5%左右，次梁的箍筋宜分为加密

11、区和非加密区。 四、结束语： 通过优化设计后，本工程的最终优化的结果为：节约钢筋 65t，节约资金约 32 万元。高层建筑混凝土结构的优化设计方法多种多样，但是不论使用哪一种方法都要建立在施工的可行性的基础之上，施工技术必须严格依照设计标准。高层建筑混凝土施工技术是科学元素和技术元素的融合和应用，它的实现过程必然需要建筑施工各环节基础技术的支持和管理理论的强化。所以，设计与施工的相辅相成才是实现合理、科学节约成本的有效措施。 参考文献： 1杨克家,梁兴文,张茂雨.带加强层超高层建筑结构基于能力谱法的抗震设计J.地震工程与工程振动,2010. 2张小龙.建筑混凝土裂缝的施工技术J.建材发展导向，72011（17）. 3沈守全.建筑施工技术中混凝土的管理J.建材世界，2011（4）.