基于SATWE計算結果的混凝土構件優(yōu)化設計

崔亞男，單俊鴻，王 飛

(河北工程大學，河北邯鄲056038)

在建筑結構設計中，方案優(yōu)化設計是一個重要的系統(tǒng)工程，它真正體現了結構合理前處理的概念，對結構造價有著關鍵影響，設計人員需要嚴格遵守“經濟、實用、合理”的原則，把握優(yōu)化設計的重要性，確定合理的結構方案，主動采用科學的控制方法，對結構進行優(yōu)化。

1 整體分析

對結構進行優(yōu)化之前，首先要確保依據現行規(guī)范的具體規(guī)定以及pkpm軟件手冊對參數意義的描述，考慮工程實際，將軟件中包含的初始參數以及特殊構件已經正確設置，否則對結構進行優(yōu)化毫無意義。其中振型組合數、最大地震力作用方向和結構基本周期計算之前很難估計，需要先進行試算取得合理取值，才能保證計算結果不失真。

1.1 振型組合數

振型組合數是軟件在做抗震計算時考慮振型的數量，取值不合理會導致計算結果不準確。《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(簡稱《高規(guī)》)和《建筑抗震設計規(guī)范》(簡稱《抗震規(guī)范》)振型數量取值做出了說明。一般而言，振型數目與結構層數以及結構的自由度有關，當結構層數較多或結構層剛度突變(彈性節(jié)點、多塔樓、轉換層等結構形式)較大時，振型數應多取一些［1］、［2］。操作方法是根據經驗預設一個組合數，計算直至兩個方向的質量系數均大于0.9為止。結構的振型組合數并非越大越好，輸入的最大值不能超過結構的總自由度。

1.2 最大地震力作用方向

在pkpm中參數輸入中，最大地震力作用方向的缺省值是0，計算完結構受力后，需要確認其數值。如果計算書中地震作用最大的方向的絕對值如果大于15°，需要重新輸入軟件進行計算。

1.3 結構基本周期

結構基本周期對風荷載的計算有很大影響。由于不能事先確定，一般先利用軟件中的缺省值進行試算，之后在計算書中找到計算周期值，回代到“結構基本周期”選項，重新進行計算。只有將模型中的參數正確設置，才能保證計算結果合理可靠。

2 混凝土構件配筋及鋼構件驗算簡圖

2.1 混凝土梁的優(yōu)化設計

梁顯示超筋有以下情況:(1)當梁的彎矩設計值M大于梁的極限承載彎矩Mu時，提示超筋;(2)規(guī)范對混凝土受壓區(qū)高度限制，ξ不滿足規(guī)范要求;(3)《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不宜大于2.5%，這種情況下可能提示超筋;(4)混凝土梁斜截面的計算必須滿足規(guī)范最小截面的要求，否則提示超筋［2］。混凝土梁宜處于單筋受力狀態(tài)，如果計算結果為雙筋受力狀態(tài)，最好加大梁截面尺寸，重新計算。梁配筋不超限的情況下，梁的經濟配筋率一般為0.6% ～0.15%，簡略計算構件配筋率，如有調整空間，可以修改截面尺寸，盡量滿足經濟配筋率。梁上部通長筋，應盡量選用較細鋼筋，可減少梁的裂縫，并且還可以減少鋼筋錨固長度，如選擇14 mm、16 mm或18 mm。

2.2 剪力墻的優(yōu)化設計

剪力墻顯示超筋有以下情況:(1)剪力墻暗柱超筋，軟件對暗柱的最大配筋率限制是按照4%控制的，而規(guī)范要求剪力墻主筋的配筋面積以邊緣構件方式給出，沒有限制最大配筋率。所以程序給出的剪力墻超筋是警告信息，需要酌情考慮;(2)剪力墻水平筋超筋說明該結構抗剪不夠，應予以調整;(3)剪力墻連梁超筋大多數情況下是在水平地震力作用下抗剪不夠［5］。規(guī)范中允許對剪力墻連梁的剛度進行折減，經過折減的剪力墻連梁在地震作用下基本上都會出現塑性變形，即連梁開裂。設計人員在進行剪力墻連梁設計時，還應考慮其配筋是否滿足正常狀態(tài)下極限承載力的要求。對剪力墻計算軸壓比是為了控制在地震力作用下結構的延性，規(guī)范提出了剪力墻軸壓比的計算要求。《高規(guī)》中規(guī)定的短肢剪力墻軸壓比按雙向計算，而軟件在計算斷指剪力墻軸壓比時，是按單向計算的，設計人員需要進行復核驗算。

2.3 混凝土柱的優(yōu)化設計

柱軸壓比計算:柱子軸壓比超限，需要加大柱子截面尺寸，柱的經濟配筋率一般為0.8% ～2%，不要超過最小配筋率太多。軸壓比的計算在《高規(guī)》和《抗震規(guī)范》中的規(guī)定不一致，《抗震規(guī)范》第6.3.6條規(guī)定，計算軸壓比的柱軸力設計值既包括地震組合和非地震組合，而《高規(guī)》第6.4.2條規(guī)定，計算軸壓比的柱軸力設計值僅考慮地震作用組合下的柱軸力。軟件在計算柱軸壓比時，當工程考慮地震作用，程序僅取地震作用組合下的的柱軸力設計值計算;當該工程不考慮地震作用時，程序才取非地震作用組合下的柱軸力設計值計算。對于同一個工程，兩種計算方法結果不一樣，設計人員應該予以考慮。

3 周期 振型 地震力

3.1 結構的周期

根據經驗，結構的自振周期在考慮折減系數后需控制在一定的合理范圍內。如結構的基本自振周期(即第一周期)大致為:框架結構 T1≈ (0.12 ～0.15)n，一般為 0.3 s～0.9 s;框剪和框筒結構T1≈ (0.08～0.12)n;剪力墻和筒中筒結構 T1≈(0.04 ～0.06)n(n為建筑物的總層數)。

第二周期、第三周期與第一周期的關系大致為，T2≈(1/3 ～1/5)T1，T3≈(1/5 ～1/7)T1。計算周期偏長，代表結構過“軟”，所承擔的地震剪力偏小，說明抗側力構件(柱、墻)截面太小或布置不當;若周期偏短，代表結構過“剛”，所承擔的地震力偏大，說明抗側力構件截面太大或墻的布置太多或墻的剛度太大(宜設置結構洞減小其剛度)［4］。如果抗側力構件的截面尺寸、布置都很正常，如果自振周期偏差太大，需要重新檢查輸入數據是否有誤。對20層以上的高層建筑結構，如果一切正常，其基本自振周期一般在2.0～3.0之間(次長周期)，結構設計人員需要增加地震力(調整系數取1.5～1.8)重新計算。另外就是控制結構的周期比，周期比是控制結構扭轉效應的重要指標，目的是更有效更合理的布置抗側力的構件，使結構不至出現過大的扭轉。《高規(guī)》第3.4.5條對結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比的要求給出了規(guī)定。如果周期比不滿足規(guī)范要求，說明該結構的扭轉效應明顯，設計人員需要增加結構周邊構件的剛度，降低結構中間構件的剛度，從而增大結構的整體抗扭剛度。軟件并不直接給出結構的周期比，需要設計人員根據計算書自行判定。實用周期比計算方法是:(1)扭轉周期與平動周期的判斷。在計算書中找出所有扭轉系數大于0.5的平動周期，按周期值從大到小排列。同理，將所有平動系數大于0.5的平動周期值從大到小排列;(2)第一周期的判斷。從中選出數值最大的扭轉(平動)周期，查看軟件的“結構整體空間振動簡圖”，看該周期值所對應的振型的空間振動是否為整體振動，如果僅僅引起局部振動，不能作為第一扭轉(平動)周期，然后從中取出下一個周期進行考察，以此類推，直至選出位置［3］～［5］;(3)周期比計算:將第一扭轉周期值除以第一平動周期即可。利用以上的方法就可以計算出周期比。

3.2 振型曲線

結構設計人員需要觀察結構的位移大致曲線查驗是否合理。框架結構的位移曲線，具有剪切梁的特征，位移越往上增長越慢，呈內收型曲線;剪力墻結構的位移曲線，具有懸臂彎曲梁的特征，位移越往上增長越快，呈外彎型曲線;框剪結構及框筒結構的位移曲線，介于以上兩者之間，呈反S型曲線、中部接近為直線［6］。對于豎向剛度和質量比較均勻的結構，如果計算正常，其振型曲線應是比較連續(xù)光滑的曲線，不應有大進大出、大的凹凸曲折，否則需要檢查模型及參數輸入正確與否。

3.3 地震力

結構承擔的地震力大小可用底部總剪力與結構總質量之比(剪質比)來衡量。層數多、剛度小的結構，其剪質比偏小，宜適當增大構件截面或提高結構剛度，從而增大地震力以保證結構的安全;反之，地震力過大，宜適當降低結構剛度，以取得合理的經濟技術指標［7］～［9］。對框剪結構，還要分析剪力墻部分所承受的地震傾覆力矩是否大于結構總地震傾覆力矩的50%，以檢查其框架部分的抗震等級確定的是否合適。

3.4 層間位移

位移比(層間位移比)是控制結構平面不規(guī)則性的重要指標。規(guī)范中規(guī)定的位移比限值是按剛性板假定作出的，如果在結構模型中設定了彈性板，則必須在軟件參數設置時選擇“對所有樓層強制采用剛性樓板假定”，以便計算出正確的位移比。在位移比滿足要求后，再去掉“對所有樓層強制采用剛性樓板假定的選擇，以彈性樓板設定進行后續(xù)配筋計算。此外，對選擇偶然偏心，單向地震，雙向地震下的位移比，設計人員應正確選用。抗震規(guī)范中規(guī)定了層間彈性位移角和層間彈塑性位移角限值，實際上為了控制層間水平位移不至過大，避免帶來結構的P－Δ效應［8］。如果計算結果顯示層間位移角超限，首先檢查基本數據正確與否，其次查看數據結果中位移角是普遍偏大還是局部偏大還是某層偏大，然后根據上面的結果采取相應措施，比如調整柱子剪力墻截面，增加結構剛度(如結構拐角部位)等。

4 重要指標查詢判定

4.1 剛度比

剛度比是控制結構豎向不規(guī)則的重要指標。根據規(guī)范的要求，軟件提供了三種計算剛度比的方法，分別是剪切剛度、剪彎剛度和與地震力相應的層間位移比。計算的關鍵在于正確把握這三種剛度比的計算方法和適用范圍。剪切剛度主要用于底部大空間為一層的轉換結構及對地下室嵌固條件的判定;剪彎剛度主要用于底部大空間為多層的轉換結構。

4.2 層間受剪承載力之比

此參數也是控制結構豎向不規(guī)則的重要指標，可參考《抗震規(guī)范》和《高規(guī)》查詢其限值。

4.3 剛重比

剛重比是結構剛度與重力荷載之比。它是影響重力二階效的主要參數，也是控制結構整體穩(wěn)定性的重要因素。該值如果不滿足要求，可能會引起結構失穩(wěn)倒塌，設計人員應當引起重視。

4.4 剪重比

剪重比是抗震設計中非常重要的參數。規(guī)定剪重比的目的在于結構在長期作用下，地震影響系數下降較快，由此計算出來的水平地震作用下的結構效應可能太小。對于長周期結構，地震動態(tài)作用下的地面加速度和位移可能會對結構造成更大的破壞，但采用振型分解法時無法準確判斷。因此，規(guī)范規(guī)定了各樓層水平地震力的最小值，如果該值不滿足要求，說明結構有可能出現比較明顯的薄弱部位，設計人員需要進行調整。

5 結束語

其他參數本文不再詳述。通過對以上參數修改校對模型，可以對混凝土構件進行合理優(yōu)化，使結構布置安全科學，降低工程成本，因此對結構設計人員提出了更高的要求，不能完全依賴計算機處理后的數據。最終要對配筋作出合理性審核，不管是結構平面布置與截面形式，還是鋼筋排數、直徑、架構等，都要進行仔細推敲，如果配置不合理或不便于施工的，還要做最后的調整計算，使結構達到最大程度的優(yōu)化。

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［6］李惠強.高層建筑施工技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005

［7］肖峻.高層建筑結構分析與設計［J］.中化建設，2008(12)

［8］范小平.高層建筑結構概念設計中相關的幾個問題應用分析［J］.福建建材，2008(5)

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