民用高層鋼筋混凝土建筑結構設計優化

文/沈鋒 上海市對外服務有限公司國際人才分公司 上海 200001

民用高層鋼筋混凝土建筑結構設計優化

文/沈鋒 上海市對外服務有限公司國際人才分公司 上海 200001

隨著建筑領域的不斷發展，鋼結構的建筑成為了發展的主要對象,民用高層建筑鋼結構的外觀優美，抗震能力比較強，造價的總成本低，是一個既經濟又實用的建筑設計結構。但目前的民用高層建筑鋼結構的設計方面仍然存在一些問題，本文對優化設計約束條件以及約束狀態進行了簡要分析，主要研究了鋼筋混凝土的構件優化，通過案例分析，體現了優化設計的可行性。

鋼筋混凝土高層建筑；框架-核心筒結構；多級約束優化設計

1、優化設計約束條件與狀態分析

1.1 優化設計約束條件

建筑結構優化設計的約束指的是對函數的變量進行優化。將優化變量的類型作為分類依據，那么設計約束可以分為整體約束、組件約束以及構件約束三個類型。

（1）整體約束指的是與整體的結構或者是與大多數構件具有直接關系的設計約束，它可以針對整體的某一結構反映出其特性。比如結構的動力特性可以通過周期反映出來；結構的整體抗側剛度可以通過層間位移角來進行評價；結構的抗扭剛度可以通過周期比進行評價；結構的穩定性可以通過剛重比進行評價；結構的舒適度可以通過頂點風振加速度進行評價等。

（2）組件是由同一種類型的構件、一組構件或者是多個構件所組成的集合，例如在超高層框架-核心筒的結構當中，核心筒以及外框架都可以獨自作為一個組件。在對建筑結構進行優化設計時，組件需要滿足指定條件，這就是所謂的組件約束條件，例如框架-核心筒的結構當中，傾覆力矩百分比以及框架剪力百分比。

（3）構件約束實際上就是構件的穩定性、剛度以及承載力等。對于混凝土的結構構件來說，最主要的因素不是穩定性，而是在進行抗震設計中需要考慮延性因素，例如框架柱需要滿足軸壓比的約束，同時需要在框架梁一端以及框架柱一端設置相應的箍筋加密區。

1.2 約束狀態分析

首先對約束狀態進行定義：當約束限制數值[S]大于組件、構件或者整體性能指標S時，就叫做約束不足；當約束限制數值[S]小于組件、構件或者整體性能指標S時，就叫做約束過度；當約束限制數值[S]等于組件、構件或者整體性能指標S時，就叫做約束平衡；當約束限制數值[S]小于組件、構件或者整體性能指標S適當比例時，就叫做約束適度。約束不足、約束過度、約束平衡以及約束適度有一個統稱，那就是約束滿足。

如果結構性能指標是約束過度時，必須對其進行優化設計，如果結構性能指標是約束不足時，必須對其進行補償設計。如果結構性能指標是約束不足或者是約束平衡時，需要做好構件尺寸優化、結構布置優化、結構體系優化以及荷載作用優化等工作，從而提高結構的性能指標，當性能指標達到約束過度時，有助于對性能進行進一步的優化設計。如果結構性能指標均是約束平衡時，且不能夠繼續優化，就可以判斷該結構已經達到最優結構。

2、民用房屋鋼鐵結構類型以及最大適用高度分析

依據我國《建筑抗震設計規范》的相關規定，將經濟實用理念與其有效結合起來，本文對民用房屋鋼鐵結構類型以及最大使用高度進行了詳細分析，具體內容如表1所示。

表1 民用房屋鋼鐵結構類型以及最大適用高度

3、關于鋼筋混凝土的構件優化

3.1 框架梁優化

平面內受彎是框架梁主要受力作用，例如一個兩層的框架中框架梁的配筋以及構件截面尺寸之間的關系；框架柱網的尺寸設置為8.1m×8.1m，每平方米的活載設置為3.2kN，對應每平方米的樓面附加恒載設置為2.0kN；框架梁的截面高度H、底部鋼筋面積以及頂部的負筋面積M為優化的變量，將兩層框架量的總體造價控制在最低作為優化的目標。假設梁的寬度設置為20cm，并且保持不變，將梁的高度作為變量，從40cm逐漸遞增，直到高度數值達到140cm，其中遞增量取值為10cm，通常情況下，梁的高度在80cm以下，利用增加梁的高度，從而體現改變梁的寬度的作用。

3.2 框架柱的優化

壓彎是框架柱的主要受力作用，而抗側剛度的主要貢獻是由框架柱提供的，例如在一棟具有10層框架的高層建筑當中，截面柱設計為方形，并且柱網的尺寸設置為8.1m×8.1m。每平方米的活載設置為3.0kN，對應每平方米的樓面附加恒載設置為2.0kN；抗震設防烈度設置為7 度，每一層的高度設置為3.6m，總建筑的高度設置為36.15m。

將計算出的結果進行系統分析可知，由于壓軸比可以有效控制底層柱的截面尺寸，同時柱截面積的尺寸需要比它內力設計的構件尺寸要大一些，所以底部4層的框架柱都是構造配筋。計算配筋的工作是從第6層框架柱開始的，要求構造最小的配筋率要小于配筋，并且對造價S以及截面高度H之間的關系進行系統分析。當框架柱的截面高度小于60cm時，在加大橫截面的同時，需要適當地較小鋼筋，從而將造價控制在最低；當截面的高度達到60cm時，就形成了構件配筋，這時最小配筋率可以對框架柱配筋進行有效控制。當其達到構造配筋以后，配筋量會隨著截面高度的增加而增加，同時造價也會有所提高，當截面高速達到75cm時最為顯著，配筋量的增加幅度較大，框架柱的長度會隨著柱構件的尺寸增加而變短，當體積配箍率增加到1.2%時，對應的框架柱軸壓比限值會降低0.05。

3.3 剪力墻優化

在高層建筑中，剪力墻是核心抗側力構件，在對剪力墻進行優化設計時，結構的形變、建筑的布局、軸壓比以及構造措施都是主要影響因素。剪力墻的構件優化設計的主要工作內容是在使用同等量的材料時，提高結構的剛度。將剪力墻的截面尺寸設置為20cm×20cm，作為初始截面，控制材料的用量不變，將構件的尺寸作為變量來分析構建剛度受到構建尺寸的影響因素。通過分析可知，當增加剪力墻的厚度以后，截面剛度較初始剛度增加了0.5倍。一般情況下，將剪力墻圍成一個筒體，或者是將剪力墻的長度增加一些，都可以有效提高結構的剛度。

4、工程案例分析

4.1 工程情況概述

該項目位于烏魯木齊市核心區域，建筑樓層為48層，總高度為199.90m，是一個超限高層建筑，標準層對應的高度為4.8m，34層和17層是建筑避難層，對應的樓層高度為4.8m。

主體結構的核心筒對應的平面尺寸設定為16.2m×16.2m，筒體的高度與筒體的寬度比值在12.3左右，核心筒的外墻與外框架柱之間的距離是12m。在進行結構優化設計當中，需要保證核心筒與外框架柱之間的距離以及核心筒的整體布局保持不變。外框梁的截面高度控制在80cm以內，對應梁截面的高度控制在75cm以內。

工程抗震為丙類，結構設計的安全等級是二級，可以在50年之內使用。抗震設防烈度是8度，建筑所在場地的類別是Ⅲ類，地震的加速度是0.2g，0.45秒是其特征周期，最大的地震影響系數為0.16。

本次結構優化設計選用的分析軟件是Etabs2013，它是一種三維有限元分析軟件。通過該軟件可以對模型進行計算與分析，中梁剛度的放大系數設置為2.0，連梁剛度折減系數設置為0.5，相應的計算位移時設置為0.9，將梁柱結點剛域作為考慮因素，因此，周期折減系數設置為0.85。

4.2 設計方案

將建筑的平面布局以及一些需求功能作為核心依據，結合高烈度去的特點以及建筑場地自身的條件，為了有效地控制成本，通過對結構進行選型，決定選用鋼筋混凝土框架-核心筒結構體系。經過一段時間的計算與分析，將核心筒外墻的厚度取值在40cm至80cm之間，內墻的厚度取值在20cm至40cm之間，型鋼混凝土方柱設置在1至9層框架柱，對應的截面邊長設置為130cm，鋼筋混凝土方柱設置在10層～屋面層框架柱，對應的截面邊長設置在70cm至130cm之間，外圈框架梁的截面設置為50cm×80cm，角部斜框架梁的截面設置為50cm×75cm，內框架梁的截面設置為40cm×75cm，樓板的厚度控制在11cm與12cm之間。

總結:

將工程設計中的約束條件作為依據，構建出優化設計方案，按照級別，首先對構件約束進行優化設計，其次對組件約束進行優化設計，最后對整體約束進行優化設計，從而實現結構優化。在對鋼筋混凝土結構進行優化設計時，需要從框架梁、框架柱以及剪力墻三個方面進行合理優化。經過對工程案例進行系統分析以后，說明此方法具有一定可行性，可以在工程設計領域中廣泛推廣。

[1]盛承財.高層建筑鋼筋混凝土結構優化設計[J].中國新技術新產品,2014(3):31.

[2]懂朝旭,吳伸杰.高層建筑鋼筋混凝土結構設計問題探討[J].中華建設,2013(7):104-105.