钢筋混凝土结构优化设计探讨.pdf
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1、钢筋混凝土结构优化设计探讨 剥、 洁 ( 合肥工业大学建筑设计研究院, 安徽合肥2 3 0 0 0 9 ) 工程设计费用一般不超过建设工程总成本的 3 ,但在项 目投资决策确定后,设计阶段对投资控制的影响程度却高达 7 0 以上。在结构设计时, 由于结构设计人员经济意识不强 、 缺 乏经济技术比较手段、 结构设计时间紧等原因, 在结构方案的 选择及结构材料选用时, 往往只凭经验进行确定, 很难使结构 设计达到经济合理。 1 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
2、下列三种形式 : 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; 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 ; 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 , 不增加设计单 位l I
3、: 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 。 2 结构优化设计基本方法 土建结构工程建造成本在建设工程成本构成中占有很大 的比重, 而结构设计的经济合理性是决定结构工程建造成本的 关键因素。如何通过优化结构设计来有效控制工程成本 , 越来 越受到建设单位的重视。作为结构设计师, 不仅要考虑所设计 项 目的安全性 , 同时, 也必须重视设计的经济合理性。 结构优化设计是在保证建筑使用功能和建筑总体效果的 前提下, 通过选用合理的结
4、构体系, 优化结构布置, 对结构受力 进行详细计算分析, 使整个结构体系既安全可靠 , 又经济合理。 优化后的结构设计, 既要满足现行结构设计规范的要求 , 又使 结构各构件之间达到最合适的比例关系, 以提高结构整体的抗 震性能、 抗风性能等功能。结构优化设计一般可从下列几个方 面人手。 2 1 结构计算方法的优化 工程结构计算分析方法的优化是结构优化的关键。首先, 是对结构体系选择的优化,主要是确定经济合理的结构型式 、 柱网尺寸和剪力墙布置等; 其次, 是对结构构件进行优化 , 在已 确定结构体系和结构布置的前提下, 确定经济合理的构件截面 尺寸、 混凝土强度等级、 钢筋强度等级和配筋量。
5、 在传统设计中, 结构体系的确定和构件截面尺寸是凭经验 假定的, 然后进行分析计算, 校核是否满足规范要求 , 是一种被 动的设计方法。优化设计也需要先进行假设, 但假设 目的不一 样, 所采用的分析方法也不同, 优化设计在初始假设后 , 需按一 定 的方法通过多次分析 和调整 , 从而获得接近最优的设计 。 在传统设计中, 构件尺寸一般先按经验确定 , 然后进行强 度验算。在优化设计时, 应对不同构件布置方式和不同截面尺 寸进行配筋计算, 并作经济比较, 以确定最优构件布置方式和 截面尺寸。 如跨度较大的悬臂梁, 除角筋外可在跨中切断, 既节 省钢筋又方便施工。 2 2准确理解和把握规范 结
6、构设计人员须认真学习和掌握国家和当地有关设计规 范, 理解规范实质, 并注意规范的适用范围和规范使用的配套陛。 在采用 建筑桩基技术规范 ( J G J 9 4 2 0 0 8 ) 、 建筑地基基 础设计规范 ( G B 5 0 0 0 7 2 0 0 2 )进行桩基设计必须注意所采用 规范与参数取值匹配性。在计算桩数时, 荷载效应采用标准组 合, 对应的抗力采用单桩承载力特征值; 在确定承台高度及配 筋, 验算材料强度时, 荷载效应取基本组合, 采用相应的分项系 数, 对应的抗力计算采用材料强度设计值。 抗震墙分加强部位和非加强部位, 边缘构件分约束边缘构 件和构造边缘构件, 这两种边缘构件
7、的配筋相差很大, 应分别 按不同的构造要求进行配筋。设计人员必须概念清晰, 不能盲 目提高标准, 以免造成设计浪费。 2 3设计参数取值的优化 为取得良好的优化效果,在设计参数取值上要进行优化。 对毛坯房, 要根据各地具体情况和房屋设计标准, 合理考虑各 功能空间的二次装修荷载。在计算墙体荷载时, 应考虑实际墙 体高度、 长度和开洞影响 , 墙体高度的取值应扣除钢筋混凝土 梁板的高度,墙体长度的取值应扣除钢筋混凝土墙柱的长度, 并应扣除洞口面积。 消防车等荷载宜按等效荷载取值。楼面活 荷载按实际使用功能合理取值, 并按规范规定考虑楼面活荷载 的折减。 正确取用抗震设防烈度 、 场地类别, 合理
8、确定风荷载标 准值和风载体型系数, 必要时可根据风洞试验确定风载体型系 数。根据不同荷载组合和不同计算内容选用荷载分项系数。 在 进行基础设计时,当上部结构传给基础的荷载为设计值时, 应 将设计值转换成标准值。 2 4选用高性价 比材料 在选用墙体材料时, 应对墙体材料进行性价比分析, 并综 合考虑不同墙体材料的容重对地基基础和主体结构的影响。 2 4 1 钢筋的选用 在选用钢筋强度等级时, 应尽可能采用性价比高的高强度 钢筋。H R B 4 0 0的强度设计值比 H R B 3 3 5高 2 0 , HR B 3 3 5比 H P B 2 3 5约高 4 3 , 而不同强度等级钢筋的价格相差
9、一般不超 过5 。可见, 性价比从高到低依次为: H R B 4 0 0 、 H R B 3 3 5 、 H P B 2 3 5 。 对于配筋按强度控制的构件, 应优先选用 H R B 4 0 0钢筋。 对于按最小配筋率控制配筋的受弯构件, 通过对受弯构件 经济配筋率的计算分析可看出,当混凝土强度等级大于 C 3 0 时, 采用 HR B 4 0 0比H P B 2 3 5可降低 2 0 用钢量; 当混凝土强 度等级等于 C 3 0时,采用 H R B 4 0 0比 H P B 2 3 5可降低 7 5 用 钢量 ;当混凝 土强度等级小 于 C 3 0时 ,采用 H R B 4 0 0与 H
10、P B 2 3 5的用钢量相同。故对于按最小配筋率控制配筋的受弯 构件, 当混凝土强度等级大于 C 3 0 时, 应优先采用 H R B 4 0 0钢筋, 而当混凝土强度等级小于C 3 0时,宜采用价格较低的H R B 3 3 5 或 H P B 2 3 5钢筋 。 2 4 2 混凝土 的选用 对于常用强度等级的混凝土( C 2 5 C 4 0 ) , 强度等级每提高 一 级, 单价提高约 5 一 8 ; 混凝土强度对柱及剪力墙轴压比的 影响很明显, 应优先使用高强度等级的混凝土; 对梁来说, 混凝 土的强度等级对梁的承载力变化不大, 应使用低强度等级混凝 土; 对板来说, 虽然提高强度等级对
11、承载力有提高, 但强度等级 提高后最小配筋率相应增大, 楼板开裂的几率也增大, 所以板 应使用低强度等级的混凝土。 目前设计市场中对混凝土强度等级确定有一种认识: 墙柱 与梁板强度等级相差在两级以内;关于这一条在旧版规范中 有, 新版规范中已经去掉了, 所以当墙柱混凝土强度等级很高 时, 梁板混凝土强度等级可以不跟随墙柱变化 ; 但是在施工中 要采取严格措施: 控制梁柱节点区为高强度等级 , 保证高低强 度等级交界区的混凝土密实性。 实际工程中混凝土强度等级的选择建议 : 普通的结构梁板一般宜选用 C 2 5 一 C 3 0 ; 剪力墙、 柱混凝土强度等级按轴压比控制, 宜选用较高 强度等级混
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