建筑工程師高級職稱范文鋼筋混凝土結構優化設

　　摘要：隨著市場經濟的不斷發展，人們生活水平的不斷提高和對能源大量消耗的關注，使人們對建筑提出了更高的要求，不僅要滿足人們的舒適性，更要求節能和環保，這就需要建筑結構的優化設計。文章主要以某鋼筋混凝土框架剪力墻結構為例，在對該建筑進行優化設計的基礎上，總結出鋼筋混凝土框架——剪力墻結構優化設計相關要點，可為相關工作者提供參考。

　　關鍵詞：鋼筋混凝土建筑,結構,優化設計

　　1 鋼筋混凝土結構優化設計應用分析

　　1.1 工程概況

　　某鋼筋混凝土框架——剪力墻結構建筑由四層裙樓和A、B兩棟高層建筑組成，地下兩層為停車庫和設備用房。總建筑面積約2萬m2，房屋平面布置為不規則形狀。

　　1.2 結構設計要求

　　本工程采用鋼筋混凝土框架——剪力墻結構，建筑結構的安全等級為二級。地震基本烈度為7度(0.1g，第二組，特征周期0.4s)，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.1g，第二組)。地基基礎設計等級為乙級。上部結構和負一層的框架抗震等級為二級，剪力墻為二級結構，負二層的框架抗震等級為三級。基本風壓：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度為B類。

　　1.3 設計優化的原則

　　在滿足結構設計現行規范和相關規定的前提下，通過大量計算和經驗分析進行優化，遵循以下原則：保證結構的安全性和正常使用;保證結構具有合理的剛度，特殊部位應有局部加強;可以減小的結構構件，應進行有效的核減。

　　1.4 結構優化設計

　　高層框架剪力墻結構體系中，主要是水平荷載作用下，框架和剪力墻內力分配設計，其中剪力墻的設計位置和數量就是關鍵。

　　1.4.1 鋼筋混凝土框架結構的優化設計

　　在結構整體內力分析完成后，根據梁柱各構件的控制內力進行截面的優化設計，確定滿足荷載效應水平要求的各結構構件的幾何特征的配筋量的優化結果，由此導致原結構的幾何特征和荷載特征的變化，優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化，各控制截面的控制內力也發生相應變化，據此進行下一步的優化設計。因此，結構優化就是一個不斷迭代、漸進的尋優過程。

　　1.4.2 結構最優設防的選擇

　　在預測地震烈度概率分析的基礎下，使用專業地震安全評價報告的數據，采用模糊綜合評定分析法計算結構的模糊延性向量和模糊抗震強度，損失等級概率和震害損失的概率預估期望值，在滿足最大投資期望和最大損失約束條件下，求出最優地震設防烈度值。

　　1.4.3 框架與剪力墻協同工作，承載力、剛度、延性能力的最佳匹配設計

　　剪力墻結構的設計主要是結構剛度和結構延性的最佳組合。結構剛度對結構的主要影響為結構的自振周期和側向位移，結構延性對結構的影響主要為保持承載力能力的前提下的變形能力，因此可以采用結構整體的側向位移量來協調結構的剛度和延性，按規范對層間位移量和頂點位移總側移的限值來控制結構的剛度和延性設計。

　　1.4.4 框架——剪力墻結構的優化設計

　　框架結構優化設計的原則就是結構優化的原則，通過一次性完成的結構件，逐步優化各個構件，以達到結構受力合理，節約投資的目的。

　　1.4.5 基礎優化設計

　　(1)主樓和裙樓的基礎分別設計，即依據地勘資料，主樓采用筏板基礎，裙樓采用獨立基礎，基礎底板或樁基承臺要按照經驗和計算結果設置，不得隨意增加厚度或加大鋼筋。例如在地下室基礎的初步設計工作中，原初步設計地下室基礎擬全部采用筏板基礎，經審核計算后，提出純地下室基礎部分采用獨立基礎加抗浮底板及抗浮錨桿的做法能做到節約鋼筋、混凝土。同時保證結構安全，施工簡便，能達到更加節省工程成本目的。

　　(2)對地下室有防水要求的基礎底板，裂縫寬度可控制為 0.2mm;地下室頂板及外墻，要求荷載取值準確、有些荷載可根據實際情況選用，不得累加。

　　(3)作為塔樓的嵌固端，地下室的頂板不宜太薄，在覆土不太厚的情況下，采用十字梁較好，在覆土較厚時，采用井字梁較宜。

　　(4)依據地質勘察報告，基礎持力層為中密卵石層，A、B棟塔樓采用筏板基礎，裙樓基礎采用獨立柱基礎加抗水底板，裙樓和純地下室部分采用抗浮錨桿。

　　1.4.6 強化“強柱弱梁、強剪弱彎”設計理念

　　框架結構的柱、剪力墻設計要引起重視，要加強設計;而梁和板的配筋不宜調大，梁的設計變量主要是截面高、寬及縱向受拉鋼筋的截面積和架立鋼筋的截面積，優化設計主要針對以上設計變量進行優化，因此梁的截面盡量按正常值取定，少做寬扁梁，配筋率也應控制在 1.5%左右，次梁的箍筋宜分為加密區和非加密區。

　　1.4.7 樓板優化設計

　　1.5 優化設計效果考慮到樓板要預埋管道的要求，樓板較薄時施工容易造成裂縫，因此樓板設計時采用彈性假定，不采用塑性假定設計，計算樓板厚度、配筋的折減等，精心配筋。最小配筋率取 0.2 和 0.45 ft/fy 中較大值相同板厚時混凝土強度等級低、鋼筋強度大時，最小配筋率低，故優先采用三級筋;板中抗裂鋼筋(分布筋)最小配筋率為 0.1%，當 120mm厚板時，可用Ф6@150;盡量不用大跨厚板。

　　高層建筑的結構優化是一個亟待解決和非常復雜的工程難題，結構優化帶來的經濟效益也是巨大的，因此研究和開發應用鋼筋混凝土結構優化技術對節約工程投資具有重大意義。為驗證設計優化的有效性，分析結構設計的初步方案，采用工程所在地的市場價格。本工程的最終優化的結果為：節約鋼筋65t，節約資金約32萬元。

　　2 鋼筋混凝土結構優化設計要點總結分析

　　本文通過對某框架——剪力墻建筑結構優化設計分析，給相關工程設計提供了借鑒，除了工程實踐中所分析優化設計方法外，筆者還得出了以下幾點關于框架——剪力墻結構優化設計要點：

　　(1)分散：剪力墻的布置應考慮地震力分散作用于剛度大致相等的多片剪力墻上。因為如果地震力集中作用到一兩片剛度很大的剪力墻上，會造成墻體內力很大，截面設計困難，且主要受力剪力墻一旦破壞后，其余較弱剪力墻和框架很難額外負擔起該剪力墻傳來的很大地震力，以致出現破壞。

　　(2)均勻：同方向的各片剪力墻應比較均勻地布置在建筑平面的各個區段，而不是集中于某一區段內，以防止因樓蓋過大的水平變形導致地震力在各框架間的不均勻分配。

　　(3)周邊：剪力墻盡可能沿結構平面的周邊布置，以獲得結構抗力的最大水平力臂，充分提高整個結構的抗扭轉能力。

　　(4)對稱：剪力墻應盡量做到對稱布置，如果在平面上難于做到對稱布置時，可通過調整剪力墻的長度和厚度，使結構的抗推剛度中心盡量與質量中心相接近，縮小偏心距，以減弱地震時結構的扭轉振動。

　　(5)在一個獨立結構單元內，同一方向的各片剪力墻不宜是單肢墻，應多設置一些雙肢墻或多肢墻，單個剪力墻構件宜設計成周邊有梁柱(或暗梁柱)的帶邊框剪力墻，縱橫向剪力墻宜連在一起形成 L 形，T 形，[形，十字形等。以避免同方向所有剪力墻同時在底部屈服而形成不穩定的側移機構。

　　(6)一般情況下，剪力墻布置在豎向荷載較大處，平面形狀變化處或樓蓋水平剛度劇變處、樓梯間、電梯及管道并。縱向剪力墻不宜設置在獨立結構單元的兩端，以免縱向框架梁和樓板因受到變形約束的區段過長而產生較大的收縮和溫度應力。

　　(7)剪力墻的門窗洞宣上下對齊，形成明確的墻肢和連梁，不宜采用錯洞墻。剪力墻的布置對結構抗側剛度有很大影響，剪力墻緣高度不連續，將造成結構剛度突變，故盡量不設轉角窗;無法避免時，應在轉角處采取增大墻厚、板厚及設暗梁等加強措施，以保證相鄰樓層剛度的減弱不宜大于 30%。

　　(8)剪力墻宜設置在墻面不需要開大洞的位置(保證足夠的剛度)：剪力墻之間無大洞口的樓、屋蓋的長寬比不宜大于 3。如超過時，應計入樓蓋平面內變形的影響。

　　(9)剪力墻的特點是平面內剛度和承載能力較大，而平面外剛度和承載能力相對很小。因而應盡量避免剪力墻平面外的彎距。樓面梁不宜單側垂直擱置于一字形剪力墻上，當剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應按規范要求采取措施。

　　(10)結構平面應布置一些短肢剪力墻，形成短肢剪力墻與一般剪力墻共同抵抗水平力的剪力墻體系。

　　(11)軸壓比也是剪力墻設計的一個重要參考指標，當其太小時說明沒有充分發揮材料的力學性能，應減少布置一些剪力墻。

　　(12)一個剛度較小的結構所承擔的樓層剪力與彎矩也較小。

　　3 結語

　　文章從鋼筋混凝土結構優化設計應用出發，總結出了鋼筋混凝土框架——剪力墻結構建筑優化設計方法，具有一定的實際意義，也符合目前建筑結構設計發展需要。除了筆者所述以上要點外，鋼筋混凝土結構優化還需以先進設計理念為指導，借助先進的建筑結構設計軟件，融入科學的結構設計優化流程，從整體上提高鋼筋混凝土結構建筑優化設計水平。

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