鋼管混凝土住宅結構的優化分析

張秋萍

摘要：本文研究子鋼管混凝土住宅結構體系的標準化構件和標準化節點系列，實現了全裝配的構想。同時，依照循環經濟理念，將煤矸石工業廢料應用于標準化構件當中，變廢為寶，節約能源。

關鍵詞：混凝土；住宅；結構

鋼結構建筑早已成為發達國家主流建筑之一，有較長的歷史。而在我國則剛剛被業界所重視。近年來，在少數幾個大城市及鋼鐵產地開始有了少量鋼結構建筑，既有高層大廈，也有民居住宅。在住宅產業化及城市現代化建設中，鋼結構建筑目前是我國的新事物，鋼結構建筑在我國發展較快不是偶然的，這種發展將會持續相當長時期。但有關專家同時指出，我國鋼結構住宅目前處于發展的啟動階段，而不是起步階段，工業化程度低，與國際水平差距較大，而且大規模發展工業化的時機還遠未成熟。從涉及這個領域的生產、設計等環節看，這種觀點有其道理。總的來說，在我國發展鋼結構住宅主要存在有以下問題：配套戶型的開發：作為新的住宅結構體系，鋼結構住宅有著與其他結構不同的特色，如何突破舊有戶型的限制，開發出符合市場需求、功能布局合理、經濟適用的與鋼結構本身特點相符合的戶型，并且引進整體浴室、整體廚房等，使之更加符合今后住宅的發展潮流。多層、小高層鋼結構配套問題：從原材料角度看，與多層、小高層鋼結構住宅配套的其他部品目前尚不成熟，表現在品種少、質量不穩定、耐久性差，特別是鋼結構住宅的圍護結構因本土化問題而造價偏高。應結合中國國情，從設計、制造、運輸、安裝、維修和管理等環節著手，加強管理和協調，以降低成本，提高其綜合經濟效益。

1分析原則

所謂的優化設計就是在有限元法的分析方法和電子計算機的計算工具的基礎上，人們可對工程結構物的設計先設定結構方案，后進行綜合考慮多方面的因素，以求得最優結構方案的設計。結構優化分單目標優化和多目標優化。本文中，最重要的優化目標為結構的經濟指標，而影響該目標的因素很多，如：建筑平面、立面形式；結構的柱網布置形式；結構體系的選擇；構件截面的選擇等等。本文將重點考慮結構的柱網布置形式及構件截面的選擇對經濟指標的影響。在對結構進行優化設計的過程中，對主要結構構件，其截面應力不應過大，原則上其應力比不應超過0.85，并在設計當中盡可能調整主要構件截面，使其應力比接近0.85。而對于次要構件，則采用滿應力設計法，在滿足結構安全的基礎上達到降低耗鋼量的要求。

截面選擇

截面選擇是結構優化當中的重點，對于結構優化分析而言，為了達到最優化分析，必須進行不斷的截面調整與結構內力計算，這是一個反復迭代的問題。因此，初選截面的好壞將直接影響到后期工作量的大小。截面選擇基本遵循以下原則：柱截面初選時，可以先初步求出結構的自重，根據自重折算成為柱的軸力，并根據軸力初選柱的截面。

2)內力分析及構件驗算

內力分析與構件驗算是相互關聯、密不可分的關系。結構優化就是對內力不斷的進行分析，對構件反復的進行驗算和調整，最終達到最優結果的過程。在結構優化中，內力分析和構件驗算通常要進行反復多次，不斷地調整數據，達到內力與構件截面的優化平衡。

3)側向位移限值

多層、小高層方鋼管混凝土框架結構房屋在風荷載作用下的層間相對位移與層高之比值不宜大于1／400。當采用有較高變形限制的非結構構件和裝飾材料時，層間相對位移與層高之比值宜適當減小；當無隔墻時，可適當增大。多層、小高層方鋼管混凝土框架結構房屋在地震作用下的層間相對位移與層高之比不宜大于下列數值：在多遇地震作用下(按彈性計算)：1／300；在罕遇地震作用下(按彈塑性計算)：1／500。當采用有較高變形限制的非結構-構件和裝飾材料時，在多遇地震作用下的層間相對位移與層高之比值宜適當減小。

2建筑方案

發展循環經濟，建設節約型社會，住宅是重要載體。節能省地型住宅是經濟結構調整和經濟增長方式轉變的必然要求，是我國住宅建設的發展方向和目標，要徹底改變我國住宅建設落后的現狀，就必須按照減量化、再利用、資源化的原則、在住宅建設中盡可能做到節能、節地、節水、節材和環保。本次優化針對我國的國情，對住宅面積標準不能要求過高。主體房型一般為50—60m2為宜，最大不超過80m2。在混凝土的選擇上選擇了煤矸石輕骨料混凝土，變廢為寶同時又減輕了結構自重。此外，在滿足通風采光，保證窗戶的氣密性和隔熱性的要求下，臥室不向南不影響建筑節能。每一位居住者都有自己獨特的個性，因此用同一種尺度來規范社會的人居空間，是不合理的，所以住宅需要有靈活性。從建筑設計的角度來看，一梯少戶、標準層面積小的塔樓與進深小的板樓中都更容易設計出采光通風條件舒適、戶內平面布局合理的戶型。在總面積不變的前提下增加有效面積，使戶型變得更緊湊，體現了先進的設計理念。

鋼管混凝土結構適合于平面布置基本規整、勻稱、凹凸變化較少的建筑平面，而不適宜軸線錯開較多，形心和質心距離較大和易于產生較大扭轉的住宅平面。本文在參考了大量國內優秀戶型的基礎上，與鋼管混凝土結構本身特點相結合，選擇如圖1所示的戶型為本文研究的對象。

該戶型功能分區合理，有效利用面積較大，在本戶型的基礎上可以略作調整從而得到符合住戶意愿的單元組合。本套型組合僅為建議方案，用戶在入住裝修時完全可以依照本人意愿進行分割。從而初步體現了鋼管結構住宅體系的分割靈活的特點。當今小區規劃設計中，住宅多為三單元或四單元連體，本套型組合僅考慮了四單元組合的形式。

3結構方案

設計標高：室內設計標高±0.000，室內外高差0.45m，層高為3m，地上6(12)層，共18m(36m)高；建筑高寬比為18／10.2＝1.76(36／10.2＝3.53)，滿足《建筑抗震設計規范》GB50011—2001第8.1.2條鋼結構民用房屋最大適用高寬比限值。墻身做法：外墻、分戶墻及樓梯間均為200mm厚煤矸石ALc板，自重1.0KN／m2；戶內分割墻為100mm厚煤矸石ALC板，自重0.5KN／m2。樓板做法：壓型鋼板煤矸石輕骨料混凝土樓板，壓型鋼板采用BD—40型，板厚1.2mm，上澆100mm厚煤矸石輕骨料混凝土，容重為19KN／m3；該壓型鋼板具有更強勁的混凝土握裹抗剪力，其施工簡單、迅速，住戶裝修時可在鋼板底刮膩子后直接刷涂料或貼墻紙，裝修效果與混凝土板底一樣，無需特殊裝修，更加符合我國的裝修習慣。屋面做法：不上人平屋面，煤矸石ALc屋面板+聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層80mm厚十二氈三油；地質資料：III類場地土；抗震設計：設計地震第一組，抗震設防烈度8度，設計基本地震加速度值0.20g基本風壓：0.40kN／m2；基本雪壓：0.35kN／m2。

參考文獻

1任智杰，多層全裝配鋼骨混凝土住宅結構的體系優化及計算理論[碩士學位論文]，太原理工大學，2005

[2]金雪峰，方鋼管混凝土結構在高層建筑中的應用，混凝土與水泥制品，2005

[3]鐘善桐，住宅建筑中推廣鋼管混凝土柱的優點，鋼結構，2002