钢筋混凝土结构优化设计论文

钢筋混凝土结构优化设计论文
摘要：本文从钢筋混凝土结构优化设计应用出发，就结构方案的选择、正确的结构计算、提高材料的利用率、合理的构造措施等多方面探讨了结构优化的途径和方法。

除了本文所述以上要点外，钢筋混凝土结构优化还需以先进设计理念为指导，借助先进的建筑结构设计软件，融入科学的结构设计优化流程，从整体上提高钢筋混凝土结构建筑优化设计水平。

前言
随着经济水平的不断增长，建筑业的成本也在不断攀升，若对建筑结构进行优化设计，不仅能够提高建筑物的安全度，并且能够有效降低工程造价，使建筑产品具有更高的性价比。

1 优化结构方案
结构方案是结构设计的关键，只有正确选择结构方案，才能在设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到安全、适用、技术先进、经济合理、保证质量。

确定结构方案时，应注意如下事项：（1）结构工程师参与建筑方案的设计，与建筑师一起确定最优建筑方案。

在每一项工程建筑方案设计阶段，由结构工程师凭借自身拥有的对结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计去帮助建筑师开拓或实现该建筑物业主所想要的，并能明确结构总体系和主要分体系之间的最佳受力特征要求。

应尽量使建筑平面简单、规则、对称、结构抗侧刚度中心、建筑平面形心、建筑物质量中心重合，以减少扭转影响；建筑立面体型规则、均匀和连续，
要尽可能避免刚度突变和结构不连续，避免有过大的外挑和内收，避免错层和局部夹层；建筑物总高度满足适用最大高度的规范要求。

（2）尽可能使结构的受力与传力途径简捷、直接、明确。

传力途径过于繁杂会出现多次转换的结构构件，这样会导致造价的增加，也容易出现计算错误产生安全问题。

采用最简单、直接的传力途径，可以省去中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，使结构受力更加明确，其结构造价也相对经济。

（3）重视结构概念设计。

概念设计是通过无数的事故分析，历年来国内外震害分析，模拟实验的定量定性分析以及长期以来国内外的设计与使用经验分析、归纳、总结出来的。

结构工程师在建筑设计中应特别重视规范，规程中有关结构概念设计的各条规定，设计中不能陷入只凭计算的误区，虽然正确的结构计算是设计的重要依据，但仅计算往往不能达到预期的设计目标，还必须非常重视概念设计。

2 正确的结构计算
结构计算软件的出现使得复杂、繁重的结构计算简单化，大大缩短了设计周期，为广大结构设计人员在工作上带来了极大的便利。

结构工程师根据计算结果结合工程实际情况、力学概念设计及丰富的工程设计经验，经过多次计算比较和调整，选出最优的计算结果用于施工图设计。

在利用结构计算软件进行结构计算的过程中，应注意如下问题：
（1）对结构分析软件计算结果分析判断的必要性。

结构计算软件是根据现行规范、规程进行编制的，在建立计算模型时必须作必要
的简化，同时现行规范、规程是成熟经验的总结，而且是最低要求，但对当前许多较复杂的工程而言，这些经验是滞后的。

因此，软件计算结果的正确与否，必须根据计算结果结合结构设计人员的知识和设计经验，对计算结果进行分析、判断，最终判定结构电算结果的正确与否，从而利用正确的结果进行结构设计。

（2）模型建立的正确与否对结构计算结果的准确性有决定性意义。

对于输入的几何图形、构件截面尺寸、恒、活荷载数据等应认真核对、力求准确无误。

避免因数据输入错误导致计算分析结果的错误或较大的误差。

比如，高层建筑标准层施加于模型上的荷载数据输入错误，其累加后对结构计算所产生的影响是不容忽视的，后面计算结果再精确完美也是没用的，将会给工程留下重大安全隐患。

（3）选择准确合理的计算参数。

计算参数的选取不同，将会得出完全不同的计算结果，要根据结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。

比如，多高层建筑结构的自振周期折减系数的取值，要根据不同的结构形式以及填充墙的材料和数量，选取恰当数值对结构自震周期进行折减，若周期折减系数取值偏大，会使建筑物的地震作用偏小，使结构分析偏于不安全；但取值偏小，会造成结构的地震作用偏大，可能造成结构造价的上升。

3 提高材料的利用率
由于目前我国建筑主要为钢筋混凝土结构形式，因此随着建筑业的发展，钢筋和混凝土的消耗量也在逐年递增。

据统计，我国每年建筑用钢量占钢材消耗总量的 50% 以上，混凝土用量约 15 亿 m3。

如
果能够将目前使用的钢筋和混凝土提高一个强度等级，则可以获得明显的经济效益和社会效益。

3.1 钢筋的选用
根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的规范要求，一方面推广具有较好延性、可焊性、机械连接性能及施工适应性的 HRB400、HRB500 等系列普通热轧带肋钢筋；另一方面，限制并准备逐步淘汰HRB335 级热轧带肋钢筋。

采用高强钢筋，可以有效减少钢材使用量，减小构件截面，降低工程成本，获得直接的经济效益。

对于配筋按强度控制的构件，应优先选用HRB400 钢筋。

对于按最小配筋率控制配筋的受弯构件，通过对受弯构件经济配筋率的计算分析可得出，当混凝土强度等级大于 C30 时，采用HRB400 比HPB300 可降低 20% 用钢量；当混凝土强度等级等于 C30 时，采用 HRB400 比 HPB300可降低7.5%用钢量；当混凝土强度等级小于 C30 时，采用 HRB400与 HPB300的用钢量相同。

故对于按最小配筋率控制配筋的受弯构件，当混凝土强度等级大于 C30时，应优先采用 HRB400 钢筋，而当混凝土强度等级小于 C30 时，宜采用价格较低的 HRB335 或 HPB300钢筋。

3.2 混凝土的选用
近年来，随着科技进步和建筑市场的繁荣，具有良好工作性的现代高强度混凝土在国内外得到迅速发展，它强度高，变形小，耐久性好，能适应现代工程结构向大跨、重载、高耸发展和承受恶劣环境条件的需要。

在一般情况下，混凝土强度等级从 C30 提高到 C60，对
受压构件可节省混凝土30%～40%；受弯构件可节省混凝土10%～20%。

采用高强度的混凝土对节约能源，降低工程成本提高环境质量，实现建设行业可持续发展具有重大意义。

在钢筋混凝土结构设计中，为了满足框架柱及剪力墙的轴压比要求，同时控制柱截面不过大，柱子及剪力墙通常应优先采用高强混凝土。

对梁来说，混凝土的强度等级对梁的承载力影响甚微，因此应使用低强度等级的混凝土；对板来说，虽然提高混凝土的强度等级对板的承载力有所提高，但强度等级提高后板最小配筋率相应增大，楼板开裂的几率也增大，所以板应使用低强度等级的混凝土。

当框架节点核心区混凝土强度等级相差不同时，应严格按照相关规范要求进行施工，以确保“强柱弱梁、节点更强”的设计思想。

4 合理的构造措施
构造措施作为计算假定的保证或作为计算中忽略某个因素或某项内容的补充，作用等同于结构计算。

按构造要求设计时，一般只需满足规范的最低要求。

如：（1）梁箍筋加密的问题。

梁的一侧是框架柱，另一侧是梁及梁的一侧垂直搭在剪力墙上，而另一侧搭在梁上，这种梁并没有像框架梁那样耗能，只是作为支撑楼板用的普通梁。

所以，就没有箍筋加密的要求；（2）次梁放在主梁上面及梁上起柱时，主梁不必设置附加横向钢筋；位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载，应设置附加横向钢筋，优先设置附加箍筋，如附加箍筋不满足计算要求时，加设吊筋；（3）剪力墙结构中存在部分短肢剪力墙时，不应整体提高抗震等级，只需对短肢剪力墙的抗震等级提高一级；（4）
分布筋、拉结筋、架立筋等起辅助作用的钢筋采用一级或二级；（5）尽量避免梁宽≥350mm，否则箍筋按构造要求需采用4肢箍，造成箍筋用量增加。

5 结语
本文从钢筋混凝土结构优化设计应用出发，就结构方案的选择、正确的结构计算、提高材料的利用率、合理的构造措施等多方面探讨了结构优化的途径和方法。

除了本文所述以上要点外，钢筋混凝土结构优化还需以先进设计理念为指导，借助先进的建筑结构设计软件，融入科学的结构设计优化流程，从整体上提高钢筋混凝土结构建筑优化设计水平。

参考文献：
[1]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S]
[2]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]
[3]李国胜.混凝土结构设计常用规范条文解读与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2012
[4]李国胜.多高层钢筋混凝土结构设计优化与合理构造（附实例）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008。