钢筋混凝土结构优化设计

钢筋混凝土结构优化设计

双晓浩

关键词：钢筋混凝土建筑；结构；优化设计

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、钢筋混凝土结构设计原则

1、“刚柔并济”

合理的建筑结构体系应该是“刚柔相济”的。结构太“刚”则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，承受的力很大，容易造成局部受损直至全部毁坏；而太“柔”的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至全体倾覆。“刚”多点工程不经济，造价过高，而且应变能力差。“柔”多点虽然造价便宜，但产生太大变形以适应外力，甚至会导致立足不稳而失去根本。如何调整这个度呢？现今的规范给出的也只是一些控制的指标，无法给予精确答案。

2、“抓大放小”

在结构体系中常有“强柱弱粱”、“强剪弱弯”等的说法。其中包含着一个简单的道理：绝对安全的结构是没有的。虽然整个结构体系是由各个构件组成一体，但各个构件担任的角色不尽相同，按照其重要性而有轻重之分。在钢框架结构中柱承担的责任比梁大，为了保证柱是在最后失效，我们故意把梁设计成相对薄弱的环节，使其破坏在先，以最大限度减少损失。

3、“打通关节”

理想的结构体系当然是浑然一体的，也就是没有任何关节的，这样的结构体系使任何外力都能迅速传递和消减。基于这个思路，设计者要做的就是要尽可能地把结构中各种各样的关节“打通”，使力量在关节处畅通无阻。“打通关节”保持平衡的目的其实就是使其永远处于原始的静态，当力量不能畅通时，构件与构件之间，构件的组成元素与元素之间的静态平衡一旦被破坏，结构变成机动，就意味着结构的终结。

四、地基基础设计存在的问题

1、柱下独立基础带梁板式的地下室底板设计中，容易忽视因建筑物沉降所引起的附加应力的影响。因为实际上整个地下室底板与柱下独立基础在上部荷载作用下，将会一起发生沉降变形，共同受力，如未考虑因此产生的附加应力，对底板而言是偏于不安全的，有可能会导致地下室底板承载能力不足而开裂。尤其对于采用天然地基的情况时，其影响则更为显著。对于总沉降量较小的工程，可考虑在地下室底板与持力层之间采取褥垫处理措施，当然，是否采用，还要综合考虑其他因素。

2、对于有地下室的建筑，当地下水位较高时，在室外地坪之下的结构部分，外轮廓形状应尽量简洁，这样有利于建筑防水的施工。尤其对于柱下承台的形式，更为明显。此时，由于柱下承台的影响，基槽地模形状很复杂，有很多的阴阳角和放坡，即加大了防水施工的难度，也加长了施工时间，都不利于质量的保证，还增加了造价。建议考虑反承台法，即统一地下室底板和承台的下皮标高，承台需要加厚部分向上作，然后地下室内部作滤水层和覆土等地面做法。这种做法的优点是，基槽地模形状很简单，方便施工，利于施工质量的保证，同时也缩短了工期。并且，内部的覆土重量也平衡掉了部分作用在底板上的水浮力，减小配筋，这种自相平衡的思路最科学，同时也提高了建筑物的抗倾覆能力。

3、天然地基锥体独立基础设计问题，有的基础设计锥体斜面坡度大于1:3，该锥体部分砼很难振捣密实，现场施工往往是砼自然堆上，采用铲子或抹灰刀拍捣成形，其锥体部分的砼很难达到设计强度要求。因此建议优先采用阶梯形独立基础，利于施工，才能更好地保证施工质量。

五、主体结构设计存在的问题

1、框剪结构剪力墙的布置要均匀，不要出现单肢刚度过大的剪力墙，以免应力过于集中，一旦破坏，将构成严重影响。而且，与之相关联的基础，连梁等构件的设计难度都会加大。刚度较大的第一级别的剪力墙，其墙肢数不应少于4肢。另外，当遇到中震时，我们应考虑第一级别的剪力墙进入塑性后，还应有小级别的剪力墙来维持建筑物变形不致过大，产生次生灾害。

2、框剪结构的连梁设计很重要，目前很多设计在这个环节上做的并不好。连梁就是连接两片剪力墙，当遇到中震或大震时，它会首先开裂，起到耗能作用，从而使建筑物保持一定延性的梁。根据它的特性，设计时不要盲目地增大它抗弯的能力，否则会使连梁延迟破坏，起不到及时耗能的作用，致使其他重要构件破坏，使结构失去延性。

3、“强柱弱梁，强剪弱弯，强大节点”，是钢筋混凝土结构延性设计的基本原则。“强柱弱梁节点”，是为了实现在罕遇地震作用下，让梁端形成塑形铰，柱端处于非弹性工作状态，而没有屈服，但节点还处于弹性工作阶段。强柱弱梁措施的强弱，也就是相对于梁端截面实际抗弯能力而言，柱端截面抗弯能力增强幅度的大小，是决定由强震引起柱端截面屈服后塑性转动能否不超过其塑性转动能力，而且不致形成“层侧移机构”，从而使柱不被压溃的关键控制措施。柱强于梁的幅度大小取决于梁端纵筋不可避免的构造超配程度的大小，以及结构在梁、柱端塑性铰逐步形成过程中的塑性内力重分布和动力特征的相应变化。“强剪弱弯”是保证构件延性，防止脆性破坏的重要原则，它要求人为加大各承重构件相对于其抗弯能力的抗剪承载力，使这些部位在结构经历罕遇地震的过程中以足够的保证率不出现脆性剪切失效。

4、屋面梁与配筋的问题

(1)屋面梁配筋太少。结构建模时，设计人员图方便，屋面梁直接拷贝下层梁的尺寸。由于屋面梁荷载较小，计算结果配筋不多，这样屋面梁在温度变化、混凝土收缩和受力等作用下因配筋率过低而裂缝宽度较大。

(2)受扭屋面梁缺少必要的腰筋。对于一般的梁，为了保持腰筋骨架的刚度，同时为了承受温度和收缩应力及防止梁腹出现过大的裂缝，一般构造措施为梁腹板高度大于450mm时加设腰筋，其间距≤200mm，然后拉筋勾连。对于受扭构件，其纵向受力钢筋的间距不应大于200MM和梁截面短边长度。对于设置悬挑檐口的屋面梁，在结构设计中误等同一般梁，未按受扭构件设计配筋。

结束语

钢筋混凝土框架结构虽然相对简单，但设计中仍有很多需要注意的问题，只有熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，才能设计出既安全又经济适用的优秀作品。

参考文献

1、GB50010－2010，混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011.

2、JGJ3－2010，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.