实际工程结构优化设计
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摘要：在建筑结构设计中安全是第一目标，但是为了安全而过度的使用材料是不科学的。应该以正确合理的材料用量来实现建筑物要满足的各项指标要求。本文分析了框架结构中四种不同方案的结构用材，在满足结构的各项控制指标下，找出基于控制结构工程造价下的较优的截面布置方案。旨在为结构设计人员提供参考。
关键词：框架结构 梁柱截面尺寸 优化设计
一．前言
随着社会的发展，结构设计[1]在土木工程中显得尤为重要。通常结构设计是规范加上工程师经验的产物，同一建筑物采用不同的结构设计方案会造成结构造价很大的差别。因此对建筑物进行工程造价控制避免材料浪费显得十分有意义。
二.结构优化设计简介
结构优化设计是近二十多年发展起来的一门新技术，它的出现，使设计者能从被动的分析、校核而进入主动的设计，这是结构设计上的一次飞跃。从已有经验看，与传统设计相比，用优化设计可以使土建工程降低造价5%-30%。优化设计能最合理地利用材料的性能，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有规范所规定的安全度。同时，它还可为整体性方案设计进行合理的决策，优化设计是实现设计的最终目标-适用、安全和经济的有效用途。具体的结构，建筑结构的用材的选用直接影响结构成本，合理选择结构的用材不仅能保证结构设计的安全和合理，还能达到节省结构工程的造价。比如混凝土强度等级的选用，以及钢筋的选用和优化，还有结构构件截面尺寸的优化。下面以框架结构中梁柱尺寸进行优化为例进行探讨。
1.工程概况
本工程为辽宁省锦州市的六层宿舍楼，结构类型为框架结构。建筑面积3806.05m ,本层一层层高4.20米，二至六层层高3.0米。建筑总高度22.65米。本工程为三类建筑，耐火等级为三级，六度抗震设防，设计使用年限为50年。
2.结构梁柱尺寸的选取
[2]在钢筋混凝土结构设计中，通常根据梁的跨度来估算梁截面高度，然后再根据高宽比来估算其梁截面的宽度。一般在钢筋混凝土结构中规定主梁的跨度一般在5～8m为宜，梁高取跨度的1/15～1/10;次梁的跨度一般在4～6m,梁高为跨度的1/18～1/12,梁宽取梁高的1/3～1/2。同时框架结构中柱子的截面的尺寸是根据作用在柱上的负荷面积的大小柱子的轴压比限制比来进行计算。方案一（初始方案）运用PKPM结构设计软件计算在本框架结构中一层柱子尺寸取600*600，二至六层柱子尺寸取500*500。边框梁截面尺寸为250*600，中间框梁的截面尺寸250*450,次梁的截面尺寸为250*450。方案二中只改变柱子的截面尺寸，保持梁的截面尺寸不变。一层柱截面尺寸变为550*550，二层柱子尺寸变为500*500,三至六层柱子的尺寸为450*450。方案三中柱子的尺寸保持不变，边框架梁的尺寸变为250*450，中间框梁截面尺寸保持不变。方案四中梁柱尺寸均改变，一层柱550*550，二层柱子尺寸变为500*500，三层至六层截面为450*450，边框梁的尺寸变为250*450，少数跨度大框梁尺寸为250*500，中间框梁的尺寸保持不变.
3.计算结果分析
整个过程中采用PKPM2010V2.1版本进行计算，分别对各种方案进行SATWE-8计算。各参数指标建立如下[3]：
（1）考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y方向的平动系数、扭转系数周期大小与刚度的平方根成反比，与结构质量的平方根成正比。周期大小与结构在地震中的反应有密切关系，否则会发生类共振。扭转周期和平动周期之比是控制结构扭转效应的重要指标，是结构扭刚度、扭转惯量分布大小的综合反应。控制周期比主要是限制结构的抗扭结构刚度不能太弱，使结构具有必要的抗扭刚度，减小扭转对结构产生的不利影响，实质上是控制结构的扭转变形小于结构的平动变形。周期要求比不是要求结构足够结实，而是要求结构刚度步局合理，以此控制结构地震作用下结构扭转激励振动效应不成为主振动效应，避免结构扭转破坏。通过四种方案的对比，结构自震周期满足相关规范的要求。同时四种方案结构扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比均满足《高规》第3.4.5条的规定，A级高度高层建筑不应大于0.9.
（2）最小剪重比剪重比主要是限制各楼层的最小水平地震剪力，确保周期较长的结构安全。抗震规范(5.2.5)条要求的结构X向和Y向楼层最小剪重比=0.80%。通过SATWE-8计算可得第一方案的X向楼层最小剪重比为1.81%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.73%。第二方案的X向楼层最小剪重比为1.67%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.58%。第三方案的X向楼层最小剪重比为1.66%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.65%。第四方案的X向楼层最小剪重比为1.55%，第一方案的Y向楼层剪重比为1.51%。均满足规范的要求。
（3）刚重比刚重比是结构刚度和重力荷载之比，它是控制结构整体稳定的重要指标。高层建筑的稳定设计主要是控制在风荷载或水平地震作用下，重力荷载产生的二阶效应不致太大，避免结构的失稳倒塌。刚重比不满足要求，说明结构的刚度相对于重力荷载过小；但是刚重比过分大，则说明结构经济技术指标较差，宜适当减少墙柱等竖向构件的截面面积。第一种方案的X向的最小刚度比为31.79，Y向的最小刚度比为28.63。第二种方案的X向的最小刚度比为24.48，Y向的最小刚度比为21.90。第三种方案的X向的最小刚度比为28.44，Y向的最小刚度比为26.97。第四种方案的X向的最小刚度比为22.11，Y向的最小刚度比为20.40。四种方案的最小结构刚重比均大于10，能够通过高规（5.4.4）的整体稳定验算。
（4）结构其他指标分析[4]经过PKPM结构设计分析软件，结构的其他指标[5]如柱轴压比，结构位移比和层间位移角，刚度比，参与振动质量比等均满足结构规范的要求。
（5）梁板柱钢筋和混凝土用量比较[5]利用SAT-S将第各方案的钢筋量和混凝土量进行计算，钢筋以3700元/t计算，混凝土以255m3。在原始方案的初步设计下，第二方案通过改变柱子的截面尺寸，结构的工程造价降低了3%，第四方案结构造价也降低了，但是降低的幅度不大。在各项指标合理的情况下，优先选用第二方案进行结构工程造价的控制。
四.结语
本文通过对辽宁省锦州市的一个框架结构锦州港项目四种设计方案进行了对比，通过改变框架梁和柱的截面尺寸，通过PKPM2010V2.1大型结构设计软件，得出在满足结构设计要求各项指标的前提下，根据相关规范要求按照一定的模数减少框架柱和边框梁的截面尺寸会使结构的工程造价降低，同时减少柱子尺寸也会降低工程造价，但是只减少柱子的尺寸结果比较明显。因此在以后的结构设计中应该合理选择截面尺寸，这样既可满足结构的设计要求，又能降低工程造价。只有这样，才能设计出安全、适用、经济、美观和便于施工的建筑物。
参考文献
［1］贺杨，张永胜．高层建筑结构设计优化［J］．山西建筑，2012，38(5):34-35．
［2］中国建筑科学研究院（GB50010—2010）混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2011.
［3］建筑抗震设计规范(GB50011—2010)统一培训教材［M］.北京:地震出版社，2010.
［4］贾园，朱杰江.某小高层住宅楼的结构优化设计,工业建筑，2006，36.
［5］郝艳娥，兰永强.基于工程造价控制的框架结构优化设计研究.低温建筑技术，2014（02）（1-4）
作者：郑君 单位：辽宁工业大学