混凝土结构优化设计研究

摘要：混凝土结构优化设计是目前结构设计中必然的一环，虽然可以节约工程造价，但结构工程师也应掌握基本的优化原则，不能一味的“体谅”建设方，更不能拿结构安全作为牺牲。文章以近几年结构优化工作中积累的框架和剪力墙结构优化经验为依据，汇总既满足设计原则又达到优化目的应对方案，仅供结构工程师参考。

关键词：优化设计；框架结构；剪力墙结构

为了争取利润，第三方优化公司介入结构设计成为趋势，“把好钢用在刀刃上”成了结构工程师越发注重的问题。

1结构优化设计的底线是规范条文

优化设计首先要满足规范、标准中的强制条文和构造要求的底线。满足这项安全底线并不难，熟悉规范的结构工程师都可做到。特别应注意规范中对条文的严格程度的区分。“宜”和“不宜”表示允许稍有选择，在条件许可时首先这样做，并非只要见到“宜”就是“可以不这样”之意。通常第三方优化公司是按后者理解，这是错误的理解。规范对于有选择，在一定条件下可以这样做时，是采用“可”来表达或描述的。

2框架结构的优化设计

2.1“强柱弱梁”

“强柱弱梁”是确保破坏时梁端先出现塑性铰，引发结构内力重分布，提高框架抗震性能的关键。一般采用增大柱端弯矩设计值的方法，即框架抗震等级为一级、二级、三级时，柱端弯矩增大系数分别取1.4、1.2、1.1。优化设计应遵循此原则，合理优化并应以梁配筋优化为优先。例如，PKPM中引入了中梁和边梁的刚度放大系数来考虑楼板对梁的刚度贡献。当此系数为“自动”考虑时，计算结果为T型梁刚度下的配筋结果，却在绘制施工图时配在了矩形梁截面中。显然，这种增大是不合理也不安全的。可以将梁刚度增大系数手动设置为“1”，即不放大刚度，计算结果便是矩形梁配筋结果。用这个结果配梁钢筋，即可以做到优化节约，也可以满足强柱弱梁的要求。或者将按T型截面进行内力分析后得到的承载力除以梁刚度放大系数，然后按照矩形截面进行配筋。另外PKPM在计算梁配筋时采用柱中线处的内力，而实际上应该采用柱边的内力。柱中心线处的内力要比柱边内力大约20%，这一选择在PKPM参数定义的设计信息页可实现，如图1所示。若勾选梁端简化为刚域，则内力取值在柱边位置。为更好的实现强柱弱梁，可以勾选梁端简化为刚域，而不勾选柱端简化为刚域。这样做非但不是盲目的减少钢筋，反而更体现了“强柱弱梁”的设计原则。

2.2“强剪弱弯”

“强剪弱弯”是指梁、柱、墙的斜截面受剪承载力大于实际受弯承载力。因为弯矩破坏是延性破坏，有一定的征兆，比如裂缝、挠度等，且在地震时能起到耗能的作用；而剪切破坏是脆性破坏，没有任何预兆突然破坏。为保证结构构件在发生弯曲破坏前不产生剪切破坏。混凝土构件承受剪切破坏一是靠截面混凝土抗剪，再者是靠箍筋。特别是跨度较小的梁（如走廊位置的柱间梁），剪力尤其其大，此处不应以截面和配筋为优化目标，而是调整两侧的大跨梁刚度，在满足整体设计指标的前提下进行整楼的刚度调节。

2.3“强节点弱杆件”

“强节点弱杆件”指节点区域的实际承载力大于构件的实际承载力。节点的重要性不言而喻，当节点失效，则相邻构件连接失效，变为机构导致坍塌。在《建筑抗震设计规范》中对梁的钢筋配置给出规定，要求一、二、三级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径不应大于矩形截面柱在该方向截面尺寸的1/20。这条规定就是对框架结构梁的纵向受力钢筋伸入节点的握裹要求，以达到强节点的目的。但有时很难满足“1/20”的要求，这时除了审视平面布局是否合理的之外，可以适当调幅，加大梁下铁。特别在边柱大跨处，另一侧没有梁再来平衡边跨梁的弯矩了，柱子对梁的约束也显得吃力。这时除了调幅，也可降低梁截面高度，减少吸引的地震力进而减少配筋。而在节点处采取加腋处理，某种意义上减小了梁跨、加强了节点，在外观的截面上做到“强节点、弱杆件”，也是让承载能力更加拟合内力包络图，既节约了钢筋，又体现了“强节点弱杆件”的设计原则。

3剪力墙结构的优化设计

剪力墙体系更多用在住宅建筑中，因墙体的用钢量大，是优化公司关注的重点。剪力墙结构因为开间进深的关系，板块通常不大，楼板不应有特别废钢筋的设计难点。反而墙体和连梁的配筋是剪力墙能否达到用钢量指标的关键。墙体的截面厚度、长度、数量直接影响了剪力墙结构的米用钢量。在布置剪力墙时，应遵循“对称、均匀，强周边、弱中部，形状简单”的原则。剪力墙的“对称、均匀”是指刚度的对称、均匀。只有这样，才能更好的联合抗震，是安全需要，也是为了充分发挥每一道剪力墙的构造配筋。结构计算时可以将墙体竖向钢筋构造配筋率按实际配筋计算后填在PKPM参数设置中，减少墙端暗柱的配筋量，优化设计。“强周边、弱中部”是为了控制结构整体扭转，能减少角部墙体的配筋和连梁配筋。墙肢的形状应简单，避免Z型墙，这样做能从根本上优化暗柱配筋、也使得受力明确。另外在端暗柱配筋时，可以将一片墙理解为一个长悬臂构件，尽量把大直径的钢筋用在外侧。虽然墙肢形状应简单为佳，但也要注意避免“一”字墙。因为“无端柱或翼墙”时，抗震墙的构造要求更为严格，当墙肢长度不大于墙厚的3倍时，尚应按照柱的有关要求进行设计。连梁的高度其实是工程师用来调节整体刚度分布的利器，将全部的窗槛墙认作连梁高度，或者只把窗顶墙作为连梁高度都是不合理的。如果如此设计，肯定有优化的余地。在绘制施工图时，连梁的归并应拟合连梁剪力沿楼高度变化的曲线。因为连梁是耗能构件，因此在施加水平力后应先于墙体破坏。但又不能配筋不足，导致结构变形过大引起的破坏。所以连梁在配筋时应细致，并进行合理归并，才能发挥连梁的作用，同时达到优化配筋的目的。

4结束语

综上，混凝土结构的优化设计是应该在理解了规范意图，明确了设计原则，并积累工程经验后，逐步实现的，应该溶于设计师的血液当中，既达到经济目的，又不失结构安全。

参考文献：

[1]程懋堃.创新思维结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[2]建筑抗震设计规范（附条文说明）[S].GB50011-2010（2016年版）.

[3]混凝土结构设计规范[S].GB50010-2010.

作者：邢悦贤 单位：中国建筑科学研究院