實際工程結構優化設計
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摘要：在建筑結構設計中安全是第一目標，但是為了安全而過度的使用材料是不科學的。應該以正確合理的材料用量來實現建筑物要滿足的各項指標要求。本文分析了框架結構中四種不同方案的結構用材，在滿足結構的各項控制指標下，找出基于控制結構工程造價下的較優的截面布置方案。旨在為結構設計人員提供參考。
關鍵詞：框架結構 梁柱截面尺寸 優化設計
一．前言
隨著社會的發展，結構設計[1]在土木工程中顯得尤為重要。通常結構設計是規范加上工程師經驗的產物，同一建筑物采用不同的結構設計方案會造成結構造價很大的差別。因此對建筑物進行工程造價控制避免材料浪費顯得十分有意義。
二.結構優化設計簡介
結構優化設計是近二十多年發展起來的一門新技術，它的出現，使設計者能從被動的分析、校核而進入主動的設計，這是結構設計上的一次飛躍。從已有經驗看，與傳統設計相比，用優化設計可以使土建工程降低造價5%-30%。優化設計能最合理地利用材料的性能，使結構內部各單元得到最好的協調，并具有規范所規定的安全度。同時，它還可為整體性方案設計進行合理的決策，優化設計是實現設計的最終目標-適用、安全和經濟的有效用途。具體的結構，建筑結構的用材的選用直接影響結構成本，合理選擇結構的用材不僅能保證結構設計的安全和合理，還能達到節省結構工程的造價。比如混凝土強度等級的選用，以及鋼筋的選用和優化，還有結構構件截面尺寸的優化。下面以框架結構中梁柱尺寸進行優化為例進行探討。
1.工程概況
本工程為遼寧省錦州市的六層宿舍樓，結構類型為框架結構。建筑面積3806.05m ,本層一層層高4.20米，二至六層層高3.0米。建筑總高度22.65米。本工程為三類建筑，耐火等級為三級，六度抗震設防，設計使用年限為50年。
2.結構梁柱尺寸的選取
[2]在鋼筋混凝土結構設計中，通常根據梁的跨度來估算梁截面高度，然后再根據高寬比來估算其梁截面的寬度。一般在鋼筋混凝土結構中規定主梁的跨度一般在5～8m為宜，梁高取跨度的1/15～1/10;次梁的跨度一般在4～6m,梁高為跨度的1/18～1/12,梁寬取梁高的1/3～1/2。同時框架結構中柱子的截面的尺寸是根據作用在柱上的負荷面積的大小柱子的軸壓比限制比來進行計算。方案一（初始方案）運用PKPM結構設計軟件計算在本框架結構中一層柱子尺寸取600*600，二至六層柱子尺寸取500*500。邊框梁截面尺寸為250*600，中間框梁的截面尺寸250*450,次梁的截面尺寸為250*450。方案二中只改變柱子的截面尺寸，保持梁的截面尺寸不變。一層柱截面尺寸變為550*550，二層柱子尺寸變為500*500,三至六層柱子的尺寸為450*450。方案三中柱子的尺寸保持不變，邊框架梁的尺寸變為250*450，中間框梁截面尺寸保持不變。方案四中梁柱尺寸均改變，一層柱550*550，二層柱子尺寸變為500*500，三層至六層截面為450*450，邊框梁的尺寸變為250*450，少數跨度大框梁尺寸為250*500，中間框梁的尺寸保持不變.
3.計算結果分析
整個過程中采用PKPM2010V2.1版本進行計算，分別對各種方案進行SATWE-8計算。各參數指標建立如下[3]：
（1）考慮扭轉耦聯時的振動周期(秒)、X,Y方向的平動系數、扭轉系數周期大小與剛度的平方根成反比，與結構質量的平方根成正比。周期大小與結構在地震中的反應有密切關系，否則會發生類共振。扭轉周期和平動周期之比是控制結構扭轉效應的重要指標，是結構扭剛度、扭轉慣量分布大小的綜合反應。控制周期比主要是限制結構的抗扭結構剛度不能太弱，使結構具有必要的抗扭剛度，減小扭轉對結構產生的不利影響，實質上是控制結構的扭轉變形小于結構的平動變形。周期要求比不是要求結構足夠結實，而是要求結構剛度步局合理，以此控制結構地震作用下結構扭轉激勵振動效應不成為主振動效應，避免結構扭轉破壞。通過四種方案的對比，結構自震周期滿足相關規范的要求。同時四種方案結構扭轉為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之比均滿足《高規》第3.4.5條的規定，A級高度高層建筑不應大于0.9.
（2）最小剪重比剪重比主要是限制各樓層的最小水平地震剪力，確保周期較長的結構安全。抗震規范(5.2.5)條要求的結構X向和Y向樓層最小剪重比=0.80%。通過SATWE-8計算可得第一方案的X向樓層最小剪重比為1.81%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.73%。第二方案的X向樓層最小剪重比為1.67%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.58%。第三方案的X向樓層最小剪重比為1.66%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.65%。第四方案的X向樓層最小剪重比為1.55%，第一方案的Y向樓層剪重比為1.51%。均滿足規范的要求。
（3）剛重比剛重比是結構剛度和重力荷載之比，它是控制結構整體穩定的重要指標。高層建筑的穩定設計主要是控制在風荷載或水平地震作用下，重力荷載產生的二階效應不致太大，避免結構的失穩倒塌。剛重比不滿足要求，說明結構的剛度相對于重力荷載過小；但是剛重比過分大，則說明結構經濟技術指標較差，宜適當減少墻柱等豎向構件的截面面積。第一種方案的X向的最小剛度比為31.79，Y向的最小剛度比為28.63。第二種方案的X向的最小剛度比為24.48，Y向的最小剛度比為21.90。第三種方案的X向的最小剛度比為28.44，Y向的最小剛度比為26.97。第四種方案的X向的最小剛度比為22.11，Y向的最小剛度比為20.40。四種方案的最小結構剛重比均大于10，能夠通過高規（5.4.4）的整體穩定驗算。
（4）結構其他指標分析[4]經過PKPM結構設計分析軟件，結構的其他指標[5]如柱軸壓比，結構位移比和層間位移角，剛度比，參與振動質量比等均滿足結構規范的要求。
（5）梁板柱鋼筋和混凝土用量比較[5]利用SAT-S將第各方案的鋼筋量和混凝土量進行計算，鋼筋以3700元/t計算，混凝土以255m3。在原始方案的初步設計下，第二方案通過改變柱子的截面尺寸，結構的工程造價降低了3%，第四方案結構造價也降低了，但是降低的幅度不大。在各項指標合理的情況下，優先選用第二方案進行結構工程造價的控制。
四.結語
本文通過對遼寧省錦州市的一個框架結構錦州港項目四種設計方案進行了對比，通過改變框架梁和柱的截面尺寸，通過PKPM2010V2.1大型結構設計軟件，得出在滿足結構設計要求各項指標的前提下，根據相關規范要求按照一定的模數減少框架柱和邊框梁的截面尺寸會使結構的工程造價降低，同時減少柱子尺寸也會降低工程造價，但是只減少柱子的尺寸結果比較明顯。因此在以后的結構設計中應該合理選擇截面尺寸，這樣既可滿足結構的設計要求，又能降低工程造價。只有這樣，才能設計出安全、適用、經濟、美觀和便于施工的建筑物。
參考文獻
［1］賀楊，張永勝．高層建筑結構設計優化［J］．山西建筑，2012，38(5):34-35．
［2］中國建筑科學研究院（GB50010—2010）混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2011.
［3］建筑抗震設計規范(GB50011—2010)統一培訓教材［M］.北京:地震出版社，2010.
［4］賈園，朱杰江.某小高層住宅樓的結構優化設計,工業建筑，2006，36.
［5］郝艷娥，蘭永強.基于工程造價控制的框架結構優化設計研究.低溫建筑技術，2014（02）（1-4）
作者：鄭君 單位：遼寧工業大學