谈结构优化设计的一些经验.docx

1、谈结构优化设计的一些经验谈结构优化设计的一些经验结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑 产品品质的前提下， 通过合理的结构布置、 科学的计算论证、 适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计 方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成 为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下，保证结构安全 并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本 文总结了以往的设计经验，参考了相关文献，给出了结构优 化设计的步骤和一些具体措施，供设计人员参考。1结构优化设计的步骤笔者认为，结构优化设计的合理步骤应该是：在方案 阶段，通过与建筑专业的充分沟通，对建筑的平面布置、立 面造型

2、、柱网布置等提出合理的建议和要求， 使结构的高度、 复杂程度、 不规则程度均控制在合理范围内， 避免抗震审查， 为降低含钢量争取主动权；在初步设计阶段，通过对结构 体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的 多方案技术经济性比较，选出最优方案，整体控制含钢量； 在具体计算过程中，通过精确的荷载计算、细致的模型调 整，使结构达到最优受力状态，进一步降低用钢量；在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋，彻底降低含钢 量。在进行多方案的技术经济性比较时，应综合考虑材料费、 模板费、基坑开挖降水支护费用、措施费、施工难易、工期 长短等因素，与甲方协商后择优选用。2结构体系与布置优化结构体系

3、和布置对造价影响很大，应予重视。1）应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理 的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可 能的情况下尽量采用前者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量 高，在可能的情况下尽量采用后者。2）应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平 面凸凹不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝， 使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的 外挑或内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因 素，使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。3）应选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的 受力合理， 从而降低构件的用钢量。 柱网大则楼盖用钢量大，

4、柱网小则柱子用钢量增大，应根据建筑实际情况和经验合理 布置。例如，住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分 发挥，过多的墙柱还会导致较大的地震作用，可考虑采用大 开间结构体系，既节约造价，又便于建筑灵活布置。 4） 应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大，层数多，占整体 造价比重高，对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应 进行对比分析，选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板 楼盖，预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏，井字 梁楼盖影响室内美观，均不推荐。办公楼等大空间结构宜采 用十字梁、 井字梁、预应力梁板方案。 双向板比单向板经济， 应多做双向板。板的厚度，双向板宜控制在短跨的 1 35

5、，单向板宜控制在短跨的 130 ，此时板易满足强度和变形要 求，经济性好。5）剪力墙结构的优化空间很大，应下大力气优化。剪力 墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满 足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度， 控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层， 平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足 构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量 少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。6）降低含钢量的小技巧：楼电梯间不宣布置在房屋端 部或转角处。因其空间刚度较小，设在端部对抗扭不利，设 在

6、转角处应力集中。框架结构层刚度较弱时，加大柱尺寸 或梁高都可显著增大层刚度，而提高混凝土强度效果不明显。 柱的截面尺寸，多层宜 2层3层调整一次，高层宜结合 混凝土强度的调整每 5层8层调整一次。多层框架结构 位移超标时，可布置少量剪力 墙使其满足要求。此时仍按框架结构确定抗震等级，剪力墙 抗震等级可为三级且不设底部加强区，同时框架部分还宜满 足不计入剪力墙时框架的承载力要求。剪力墙的窗下墙尽 量用填充墙，可延长周期并节约造价。剪力墙结构仅少量 墙肢不落地、做框支转换且其负荷面积占楼层面积范围很小 时（ 10%,可按仅个别构件转换考虑， 不必把整个层都作为 转换层。填充墙的上下在不影响美观和使

7、用的情况下尽可 能设梁。分隔墙下可不设梁，配筋上加强即可。外挑阳台 挑出长度大于 1 2m 时优先考虑梁板式受力体系。 梁的截 面尽量按正常截面取， 少做宽扁梁， 配筋率也应控制在 1 5% 以内。尽量？免梁宽350mm否则箍筋按构造要求需采用4 肢箍，造成箍筋用量增加。 (11).楼梯构件，梯板跨度大 于 3m 或活载较大时， 优先考虑梁式楼梯。 (12). 爹建筑构件， 包括装饰构件，优先采用钢筋混凝土结构。3材料优化 材料自重对结构受力影响较大，应尽量选用 轻型材料。如填充墙、 隔墙采用轻质材料， 可显著减轻自重， 降低含钢量。混凝土价格相对便宜，可适当提高混凝土强度等级以减 少钢筋用量

8、，但混凝土强度等级越高越容易开裂，所以也不 能太高。一般建议梁板混凝土等级取 C30 ，墙柱混凝土等级 取 C25 弭 O( 断面与标号间取最优值 )，转换层水平构件取 C40 ，非承重构件取 C20 ，基础取 C30,-C35 ，垫层取 C15 一般楼层越高受力越小，故混凝土强度等级宜从下到上逐渐 减小。为便于施工，同一楼层各构件最好采用同一等级混凝 土。关于钢筋的优化，将在配筋设计部分论述。4荷载优化荷载输入值的计算是否准确，关系到整个工程的含钢量 是否正常。荷载的计算应尽量精确，做到不漏算、不重算、 不多算、不错算。荷载取值应严格按照最新版荷载规范取用， 不要擅自放人。对于一些特殊功能的

9、建筑，应会同甲方共同 测算荷载的取值。填充墙上门窗开洞面积较大时，应扣洞口部分的重量。 地面、楼面、屋面、填充墙、隔墙、构架、线条等恒载取值 应按建筑做法和大样详细计算。对于 GB 50009-2001 第 412条所列可折减的项目， 应严格按所列系数折减，尤其是消防车活载。通过检查 PKPM 总信息中单位面积质量数值可以判断 出荷载输入是否正常。一般设计较合理的住宅结构，单位面 积的荷载标准值为：框架结构 1 IkN / m213 kN / m2，框剪结构 13 kN m216 kN m2 ，剪力墙结构 14kN m218kN m2。5设计参数优化设计参数直接影响着含钢量的变化，因此必须弄清

10、楚每 个参数的内涵，正确地选用。笔者总结经验、参考文献后给出以下建议：1）普通柱按单偏压计算，双偏压校核，异型柱才按双偏 压计算。按双偏压计算时柱钢筋用量显著增加。2）偶然偏心和双向地震不同时考虑。考虑双向地震影响 会使结构用钢量增加。一般较规则的结构，扭转效应较小， 可只计算单向地震力 （考虑偶然偏心影响 ），不考虑双向地震 影响。但如果结构的质量和刚度分布明显不对称、扭转严重 时，应计入双向水平地震作用下的扭转影响。如何判断结构 是否扭转严重，作者赞同文献 3】的看法，即当楼层最大弹 性水平位移 （或层间位移 ） 与该层两端弹性水平位移 （或层间 位移）平均值的比值 A 级高度大于 14、

11、B 级高度或复杂高 层大于 13 时，可认为结构扭转比较明显，需要考虑双向 地震作用。多层结构参考高层取值。 当结构扭转位移比 超限时，可通过以下措施作调整：调整平面布置，使质心 与刚心尽量接近；加强结构外边一圈构件刚度，提高抗扭 能力；加大墙、柱、梁截面，改变层间刚度与楼层刚度比； 改变墙、柱的方向，使 x、y向刚度接近，尽量使位移比 小于 13，这样就不用考虑双向地震作用了。3）计算位移角时可不考虑偶然偏心，有利于满足规范限值要求，见高层建筑混凝土结构技术规程 ts4 63 条4）竖向构件考虑活荷载折减，可降低用钢量。反映在PlUM 计算参数中就是：柱、墙和传到基础的活荷载在 SATWE

12、中折减 （在 PM 中一般不折减 ）。5）梁柱重叠部分考虑刚域影响，可降低梁的配筋，不考 虑刚域影响时梁负筋应按柱边弯矩配筋。6）梁设计弯矩放大系数及配筋放大系数取 10。楼面本身荷载和梁荷均已经乘以大于 1 的分项系数，梁计算中即使 不放大也已经存在安全储备，没有必要再对弯矩放大系数及 配筋放大系数进行放大。在后期施工图设计时再针对薄弱的 部分比如悬挑梁等进行适当的放大，提高其安全储备。7）梁刚度放大系数，中梁宜取 2 0 ，边梁宜取 15。 梁刚度放大系数主要反映现浇楼板作为梁的有效翼缘对楼 面梁刚度的贡献。由于刚度大小直接影响内力分配，不考虑 该系数将使梁配筋偏小，考虑不当会使构件配筋不

13、准确，都 不利于结构安全。8）周期折减系数直接影响到竖向构件的配筋，如果盲目折减，势必造成结构刚度过大，吸收的地震力也增大，最后 导致墙柱配筋增大。周期折减系数应根据填充墙实际分布情 况慎重选择，纯剪力墙结构自振周期可以不折减 (取 1 O)9)PKPM 中如次梁单独输入， 则 PKPM 默认对次梁不调 幅，此时应将其改为“调幅梁”，可节约部分钢筋。10)剪力墙连梁跨高比大于 5 时，受力特征己变成受弯 为主，应按框架梁输入并且不能定义为连梁。当梁一端与剪 力墙平面外相接时不论跨高比为多 ? 都不应定义为连梁。11)减小结构扭转可降低用钢量， 故应尽力调整计算模型 使最大位移与层平均位移之比、

14、最大层问位移与平均层间位 移之比小于 13，并使第一、第二振型为平动，第一扭转周 期与第一平动周期之比小于 085 。12)楼层层间最大位移与层高之比厶 u斤比规范限值略小即可，且两个主轴方向位移角计算结果越接近越好。如框 架结构位移角限值为 1 550 ，实际结构 X、y 向最大层间位 移角为 1 (560,-,580) 时较经济。结构越刚，地震反应越大， 含钢量越高，延性越差。另外，各个楼层之间的弹性位移角 最好均匀变化， 不要突变。 1 3)对框架一抗震墙结构框架 部分的底层柱底，可不乘以弯矩放大系数，见建筑抗震设 计规范 t616 2 3 条条文说明。14)对于上海地区工程， 上海市建

15、筑抗震设计规程 6 119 条规定：当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位 时，地下室结构的楼层侧向 (剪切 )刚度不宜小于上部楼层侧 向(剪切)刚度的 15 倍。据此可放宽对地下室的刚度要求， 节约部分钢筋。15)检查 PKPM 的总信息、位移、周期、地震力与振型 输出文件， 查看各个指标是否控制在合理范围内： 如轴压比、 剪重比、刚度比、位移比、周期、刚重比、层间受剪承载力 比、有效质量比、超筋信息等。如均在合理范围内，说明结 构设计较合理，否则应继续优化。16)设计较合理的结构，基本上符合以下规律：(1)柱、墙的轴力设计值绝大部分为压力；(2)柱、墙大部分构件为构造配筋；(3)底层柱、墙轴压

16、比大部分比规范限值小 0 15 以内；(4)梁基本上无超筋；(5)剪力墙符合截面抗剪要求；(6)梁抗剪不满足要求的截面和抗扭超限截面没有或很 少；(7)大部分构件的配筋率在表 1 范围内。6 基础设计优化基础造价占结构造价比重最大，基础的节省将对整个工 程造价的降低起决定性的作用。基础设计的关键是合理选择 基础形式。一般的，低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优 先考虑沉降控制复合基础 ( 含复合桩基，允许设地下室 ) ，对 于深埋独立地下室，可考虑采用补偿式基础。设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底 板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价地