1、钢筋混凝土结构优化设计【摘要】本文基于钢筋混凝土结构，分析了如何对其结构进行优化设计，一是从优化的角度出发，分析了优化钢筋混凝土结构的一些有效的方法，二是从科学设计的角度出发，分析了如何更加科学的进行设计。【关键词】钢筋混凝土；结构；优化设计 中图分类号：TU37 文献标识码： A 一、前言 随着我国建筑行业的快速发展，钢筋混凝土也被普遍的应用在各种建筑中，因此，为了提高建筑建设的质量，必须要把握钢筋混凝土结构这个关键性的环节，保证钢筋混凝土结构的设计合理科学。 二、钢筋混凝土结构优化设计的意义 一个项目建设的全过程需要经历策划、设计和施工等三个阶段，在这三个阶段中，虽然设计所花费的费用只占整
2、个工程费用 1%2%，但设计对整个项目经济性指标的影响最大，其影响程度能够达到近七成，因此在制定建筑方案的阶段就应开始优化。但是由于在设计过程中，设计人员没有结构优化的意识，或者是因为工程量大、设计任务重、时间紧迫的原因，选择结构方案时按照个人经验选取，不注重概念设计，导致方案达不到经济性的要求，发生结构选取不合理等情况。到目前为止，国内还没有一个适用于大多数结构优化的数学模型，往往都是根据具体情况酌情处理，最终都要使所有的结构构件达到极限承载能力时，此时即为最优解，这也是结构优化的核心思想。 三、结构优化设计的开展形式 结构优化设计对专业业务能力的要求很高，需委托具有丰富的结构设计经验、在结
3、构优化设计方面具有丰富经验的专业人员进行。开展结构优化设计可采取下列三种形式： 1、从方案设计阶段开始，聘请具有丰富经验的专家作为结构优化设计顾问，在设计全过程提供结构优化的合理化建议，通过过程控制，使结构施工图设计达到经济合理； 2、在初步设计图纸完成后，进行结构方案优化和构件优化，提出详细的优化后的结构方案、设计参数取值以及各构件的截面尺寸和混凝土强度等级等，与设计院沟通并在施工图设计阶段实施； 3、在设计院设计施工图完成后，进行优化设计研究，提出详细的结构优化方案、设计参数取值以及各种构件的截面尺寸和混凝土强度等级等，与设计院沟通并修改结构施工图。上述第一种形式操作较方便，不影响工期，不
4、增加设计单位工作量，但优化效果难于评判；第二种形式不增加设计单位工作量，可对优化效果进行评判，但对工期有一定影响；第三种形式优化经济效果可进行详细计算，但设计施工图返工工作量大，对工期影响较大。 四、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，A 楼高 75.3m，为 19 层，B 楼高 95.3m，为 29 层。地下两层为停车库和设备用房。总建筑面积约 5.4 万 m2，房屋平面布置为不规则形状。 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
5、，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、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。 （一）钢筋混凝土框架结构的优化设计 在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面的优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征的配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征的变
6、化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各控制截面的控制内力也发生相应变化，据此进行下一步的优化设计。因此，结构优化就是一个不断迭代、渐进的寻优过程。 （二）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。 （三）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
7、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。 （四）框架-剪力墙结构的优化设计 框架结构优化设计的原则就是结构优化的原则，通过一次性完成的结构件，逐步优化各个构件，以达到结构受力合理，节约投资的目的。 （五）基础优化设计 （1）主楼和裙楼的基础分别设计，即依据地勘资料，主 楼采用筏板基础，裙楼采用独立基础，基础底板或桩基承 台要按照经验和计算结果设置，不得随意增加厚度或加大钢筋。例如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
8、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成本目的。因此对纯地下室基础采用独立基础加抗浮锚杆、底板方式设计施工图（图 1） 。 图 1 独立柱基础剖面 （2）对地下室有防水要求的基础底板，裂缝宽度可控制为 0.2mm;地下室顶板及外墙，要求荷载取值准确、有些荷载可根据实际情况选用，不得累加。 （3）作为塔楼的嵌固端，地下室的顶板不宜太薄，在覆土不太厚的情况下，采用十字梁较好，在覆土较厚时，采用井字梁较宜。 （4）依据地质勘察报告，基础持力层为中密卵石层，A、B 栋塔楼采用筏板基础，裙楼基础采用独立柱基础加抗水底板，
9、裙楼和纯地下室部分采用抗浮锚杆。 （六）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区和非加密区。 （七）楼板优化设计 考虑到楼板要预埋管道的要求，楼板较薄时施工容易造成裂缝，因此楼板设计时采用弹性假定，不采用塑性假定设计，计算楼板厚度、配筋的折减等，精心配筋。最小配筋率取 0.2 和 0.45ft/fy 中较大值相同板厚时混凝土强度
10、等级低、钢筋强度大时，最小配筋率低，故优先采用三级筋；板中抗裂钢筋（分布筋）最小配筋率为 0.1%，当 120mm 厚板时，可用 6150；尽量不用大跨厚板。 4、优化设计效果 高层建筑的结构优化是一个亟待解决和非常复杂的工程难题，结构优化带来的经济效益也是巨大的，因此研究和开发应用钢筋混凝土结构优化技术对节约工程投资具有重大意义。为验证设计优化的有效性，分析结构设计的初步方案，采用工程所在地的市场价格。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。 五、结束语 综上所述，钢筋混凝土结构的优化设计非常有必要，可以有效提高建筑的性能。在具体的建筑工程中，为了提高钢筋混凝土结构优化设计的效果，要结合建筑的实际情况进行优化设计，保证优化设计着实有效。【参考文献】 1GB500102010，混凝土结构设计规范S 北京:中国建筑工业出版社，2011. 2JGJ32010，高层建筑混凝土结构技术规程S 北京:中国建筑工业出版社，2011. 3张民.钢筋混凝土框架-剪力墙结构设计的优化研究.上海:同济大学土木工程学院,2011. 4张炳华,侯起.土建结构优化设计M.上海:同济大学出版社,2013.
