淺談如何做好建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作

李國彪

引言：隨著建筑工程施工要求的不斷提升，對(duì)建筑框架結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、抗震設(shè)防等級(jí)、耐火等級(jí)也有了新的要求，必須對(duì)建筑框架結(jié)構(gòu)主體及主體設(shè)計(jì)進(jìn)行縝密計(jì)算，以此對(duì)框架結(jié)構(gòu)做出預(yù)防性的合理布局。本文以某建筑框架結(jié)構(gòu)工程為例，通過實(shí)例對(duì)提高框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行研討，為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)踐操作提供參考。

一、建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要求在明確結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、抗震標(biāo)準(zhǔn)、耐火等級(jí)等的基礎(chǔ)上，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，確定框架設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。其基本原則包括計(jì)算性、全面性、預(yù)防性幾方面原則，以下作一一分析：

（一）計(jì)算性原則。由于框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到抗震設(shè)防各種數(shù)據(jù)，無論是樓蓋的布置，還是場(chǎng)地土的改善，都需要對(duì)框架結(jié)構(gòu)相關(guān)的剛性數(shù)據(jù)、柔性數(shù)據(jù)等進(jìn)行計(jì)算，譬如在設(shè)計(jì)抗震設(shè)防烈度8度剪力墻的時(shí)候，雙向梁柱剛接體系需要重點(diǎn)考慮垂直地震作用，因此從震害的視角分析，要通過縝密計(jì)算得出垂直作用力相關(guān)的數(shù)據(jù)，方可保證剪力墻滿足既定的抗震設(shè)防要求。

（二）全面性原則。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性的特征，涉及到框架梁、框架柱等設(shè)計(jì)內(nèi)容，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)計(jì)項(xiàng)進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧，譬如在設(shè)置大跨度雨棚時(shí)候，要根據(jù)梁中心線位置的負(fù)彎矩和跨度，考慮如何提高抗扭的水平，另外在設(shè)置框架梁和框架柱的時(shí)候，要根據(jù)梁截面的大小，對(duì)相應(yīng)構(gòu)建的配筋率進(jìn)行計(jì)算。

（三）預(yù)防性原則。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的是提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，預(yù)防地震等對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，為此在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的時(shí)候，要考慮各種可能影響結(jié)構(gòu)剛度的因素，譬如電梯梯井設(shè)置剛度較大的混凝土墻，但其他位置不設(shè)置剪力墻，為滿足伸縮縫的要求，需要通過配筋率加大、架空層鋪設(shè)等方式，做出結(jié)構(gòu)預(yù)防性的合理布局。

二、建筑工程框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析

（一）工程基本概況。案例工程為4層的框架結(jié)構(gòu)住宅樓，工程擬設(shè)計(jì)的抗震設(shè)防烈度為6度，其中框架梁和框架柱以Q235鋼作為主材料，樓屋面則以鋼板和現(xiàn)澆混凝土形成層高3m、平均跨度6.4m的組織框架結(jié)構(gòu)。該建筑框架結(jié)構(gòu)至少能夠承受0.5kN/m2 的風(fēng)壓和雪壓，樓層結(jié)構(gòu)的活荷載標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值為2.0kN/m2。工程借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，在平面建模基礎(chǔ)上，計(jì)算出框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力、平面內(nèi)外穩(wěn)定應(yīng)力、上翼緣受拉時(shí)截面最大應(yīng)力、下翼緣受拉時(shí)截面最大應(yīng)力、剪應(yīng)力等。

（二）工程設(shè)計(jì)依據(jù)。基于案例工程基本概況，工程根據(jù)實(shí)際確定了框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)內(nèi)容，大致為：1）規(guī)范文件。框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以國家規(guī)范、現(xiàn)場(chǎng)勘察資料、業(yè)主提供設(shè)計(jì)意向書為規(guī)范文件，設(shè)計(jì)單位不得脫離這些規(guī)范文件基本要求范圍，并綜合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際條件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況展開設(shè)計(jì)工作。2）抗震條件。框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)、抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地情況等，將結(jié)構(gòu)劃分為四級(jí)抗震等級(jí)的結(jié)構(gòu)類型，其中一級(jí)抗震等級(jí)要求最為嚴(yán)格，是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。3）場(chǎng)地條件。其中包括施工現(xiàn)場(chǎng)土體的類型和等級(jí)，以及是否存在地下水和地基土凍結(jié)深度等。案例工程以此在地基處理方案中明確了持力層和地耐力特征值，并對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的材料等級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)和耐久性等做出了一系列的標(biāo)準(zhǔn)性規(guī)定。

三、結(jié)合該案例提出框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

通過對(duì)以上案例工程的分析及該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本數(shù)據(jù)的計(jì)算，我們要進(jìn)一步根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)，并利用復(fù)形狀法對(duì)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，具體有以下幾點(diǎn)建議：

（一）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，借助PKPM，TAM，SATWE 軟件，計(jì)算框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度等。在明確同個(gè)截面位置兩軸彎矩的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸線凈截面的模量、截面塑性發(fā)展系數(shù)、結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度。然后通過截面沿腹板平面作用的剪力、中和軸面積矩、毛截面慣性矩、腹板厚度、抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)局部集中荷載、集中荷載增大系數(shù)、集中荷載假定分布長度，計(jì)算出局部承壓力。根據(jù)腹板同時(shí)產(chǎn)生的正應(yīng)力、壓應(yīng)力、剪應(yīng)力，以及折算應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的增大系數(shù)等，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的折算應(yīng)力。根據(jù)結(jié)構(gòu)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值和框架結(jié)構(gòu)梁的容許撓度值，計(jì)算出框架結(jié)構(gòu)的剛度，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，以及借助力學(xué)軟件。

（二）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)之前，需要對(duì)設(shè)計(jì)圖紙文件進(jìn)行全面了解，以規(guī)范設(shè)計(jì)工作流程的細(xì)節(jié)性內(nèi)容，形成具有較強(qiáng)可行性的設(shè)計(jì)方案。在了解設(shè)計(jì)方案意圖的時(shí)候，除了需要掌握?qǐng)D紙每項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容的細(xì)節(jié)，還要根據(jù)圖紙的要求，以會(huì)審的方式解決相關(guān)的設(shè)計(jì)問題，避免這些問題對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的影響。案例工程的框架梁和框架柱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)模式，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系的時(shí)候，要以整體性和抗震性作為結(jié)構(gòu)的功能目標(biāo)，但出于對(duì)現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程量因素的考慮，框架結(jié)構(gòu)所需的梁柱和樓板，均在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制裝配，即在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接和拼裝，而某些特殊構(gòu)件可按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)委托工廠生產(chǎn)，以此作為框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方式，不僅能夠提高框架結(jié)構(gòu)的整體性能和抗震性能，而且能提高施工效率。

（三）利用復(fù)形法優(yōu)化框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。復(fù)形法主要針對(duì)無約束優(yōu)化問題的求解，具有適用范圍廣、簡單直接、出錯(cuò)率低等優(yōu)點(diǎn)，在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可利用復(fù)形法對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，主要分為主體優(yōu)化設(shè)計(jì)和分部優(yōu)化設(shè)計(jì)兩級(jí)：

1）框架結(jié)構(gòu)主體設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先是框架結(jié)構(gòu)梁截面和結(jié)構(gòu)柱截面特性關(guān)系的建立，利用統(tǒng)計(jì)歸納的方法，在確定截面慣性矩、抵抗矩、截面面積的基礎(chǔ)上，根據(jù)截面慣性矩分析框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力分布情況，以及根據(jù)抵抗矩和截面面積確定框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小。其次是鋼架結(jié)構(gòu)模式的優(yōu)化，涉及到的因素包括設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件、計(jì)算模型，其中設(shè)計(jì)變量與框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的慣性矩有關(guān)，由框架結(jié)構(gòu)梁和結(jié)構(gòu)柱的數(shù)量決定，而目標(biāo)函數(shù)則根據(jù)梁跨度、柱高度等已知的定值，用于表示框架結(jié)構(gòu)的重量函數(shù)。最后是結(jié)構(gòu)梁柱截面慣性矩的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可借助之前構(gòu)建的計(jì)算模型，利用復(fù)形法編制的分析程序，確定最優(yōu)的截面慣性矩。2）框架結(jié)構(gòu)分部設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先是結(jié)構(gòu)梁優(yōu)化計(jì)算模型，即根據(jù)翼緣截面、寬度、厚度和腹板高度、厚度，對(duì)截面形式進(jìn)行描述，然后根據(jù)梁的抗剪強(qiáng)度條件、穩(wěn)定性條件、界限約束等約束條件，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)。其次是結(jié)構(gòu)柱優(yōu)化計(jì)算模型，即根據(jù)截面翼緣寬度、厚度和腹板高度、厚度，確定需要優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量，以及根據(jù)結(jié)構(gòu)柱的局部穩(wěn)定性、界限約束等約束條件，設(shè)置優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

結(jié)語

通過以上案例綜合分析，我們要針對(duì)建造項(xiàng)目的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行合理及縝密的計(jì)算，通過綜合考慮得出最佳優(yōu)化方案，另外還要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，把好施工現(xiàn)場(chǎng)，保證施工質(zhì)量才可以有效的把建造結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案落實(shí)到實(shí)處，進(jìn)一步提高建筑項(xiàng)目的工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

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（作者單位：高州市建筑設(shè)計(jì)院）