鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)    劉開(kāi)敏摘要：鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的復(fù)雜過(guò)程，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)能夠正確面對(duì)困難與挑戰(zhàn)，執(zhí)行的規(guī)范、規(guī)程應(yīng)根據(jù)具體工程上區(qū)別對(duì)待，對(duì)地方標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)補(bǔ)充和延伸，設(shè)計(jì)要?jiǎng)?chuàng)新，觀念適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的重要性，對(duì)結(jié)構(gòu)軟件計(jì)算結(jié)果應(yīng)有正確的判斷和分析，這樣才能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終經(jīng)濟(jì)性與準(zhǔn)確性。本人結(jié)合多年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義一個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程需要經(jīng)歷策劃、設(shè)計(jì)和施工等三個(gè)階段，在這三個(gè)階段中，雖然設(shè)計(jì)所花費(fèi)的費(fèi)

2、用只占整個(gè)工程費(fèi)用1%2%，但設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響最大，其影響程度能夠達(dá)到近七成，因此在制定建筑方案的階段就應(yīng)開(kāi)始優(yōu)化。但是由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員沒(méi)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意識(shí)，或者是因?yàn)楣こ塘看?、設(shè)計(jì)任務(wù)重、時(shí)間緊迫的原因，選擇結(jié)構(gòu)方案時(shí)按照個(gè)人經(jīng)驗(yàn)選取，不注重概念設(shè)計(jì)，導(dǎo)致方案達(dá)不到經(jīng)濟(jì)性的要求，發(fā)生結(jié)構(gòu)選取不合理等情況。到目前為止，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一個(gè)適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，往往都是根據(jù)具體情況酌情處理，最終都要使所有的結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到極限承載能力時(shí)，此時(shí)即為最優(yōu)解，這也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心思想。二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則1、設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必須具有實(shí)用性，實(shí)用是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要要

3、求，只有突出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)用性，整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也才能適應(yīng)市場(chǎng)的需要，也才能滿足使用者的各類需求，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作也才能找到實(shí)施的基礎(chǔ)。2、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性原則鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該突出安全，一方面要確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造一個(gè)安全的環(huán)境，這是進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要前提。另一方面要確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用的安全，力爭(zhēng)在建筑物和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命中做到對(duì)安全的保證，這是對(duì)建筑功能和使用者人身安全的重要基礎(chǔ)。3、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性原則應(yīng)該將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作進(jìn)一步深化，使整體性原則得到進(jìn)一步落實(shí)，讓整個(gè)

4、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)性能綜合、結(jié)構(gòu)連續(xù)的整體，在實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物功能維護(hù)的同時(shí)，確保整個(gè)工程的統(tǒng)一。一、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及步驟1、常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法概述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大致可以分為三類， 即尺寸優(yōu)化、性能指標(biāo)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。（ 1） 尺寸優(yōu)化。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單和最直接的做法是修改結(jié)構(gòu)單元的尺寸， 亦即在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中將結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量， 這種方法稱為結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用這種方法， 人們可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化， 以達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的。但尺寸優(yōu)化不能改變?cè)Y(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)洌?很難對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行較大的修改。（ 2） 性能指標(biāo)優(yōu)化。常用的形狀設(shè)計(jì)方法將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些

5、邊界控制點(diǎn)的幾何信息取為設(shè)計(jì)變量， 由這些控制點(diǎn)生成結(jié)構(gòu)的邊界， 從而達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的形狀， 使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的。性能指標(biāo)優(yōu)化既可以改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸， 又可以改變結(jié)構(gòu)的形狀。（ 3） 拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問(wèn)題。它不僅要解決尺寸優(yōu)化問(wèn)題， 還要確定結(jié)點(diǎn)間桿件的連接方式， 是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中更為困難、更具挑戰(zhàn)性的課題。2、優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟通常對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 可以采用建立數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 即把工程實(shí)際問(wèn)題用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示， 包括選定設(shè)計(jì)變量， 選擇目標(biāo)函數(shù)， 建立約束方程等幾個(gè)步驟。（ 1

6、） 給定參數(shù)。指預(yù)先給定的描述結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)。在優(yōu)化過(guò)程中，其值是固定的， 因此可以作為常數(shù)考慮， 如荷載、柱高、梁長(zhǎng)、彈性模量以及材料容重等一般都屬于給定參數(shù)。（ 2） 明確設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化設(shè)計(jì)中待確定的某些參數(shù)， 稱為設(shè)計(jì)變量。一個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案是由若干個(gè)量來(lái)描述的， 這些量可以是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸， 如面積、慣性矩等幾何參數(shù)， 也可以是結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)， 如結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、高度、跨度和間距等， 還可以是結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)或物理特性參數(shù)， 如材料的彈性模量等。設(shè)計(jì)變量是最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的基本組成部分， 是最優(yōu)化設(shè)計(jì)最后所要確定的參數(shù)。（ 3） 構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。利用設(shè)計(jì)參數(shù)描述追求目標(biāo)（ 如重量、造價(jià)）

7、的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為目標(biāo)函數(shù)， 也稱為直函數(shù)、評(píng)價(jià)函數(shù)， 它是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)， 代表所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的某個(gè)最重要的特征或指標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要從許多的可行設(shè)計(jì)中， 以目標(biāo)函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)， 找出這個(gè)函數(shù)的極值（ 極小值或極大值） ， 從而選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)的體積、造價(jià)、剛度、承載力、自振頻率等都可以根據(jù)需要作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的目標(biāo)函數(shù)。（ 4） 構(gòu)建約束條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)尋求目標(biāo)函數(shù)極值時(shí)的某些限制條件， 稱為約束條件。它反映了有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、計(jì)算規(guī)程、運(yùn)輸、安裝、施工、構(gòu)造等各方面的要求， 有的約束條件還反映了優(yōu)化設(shè)計(jì)工作者的設(shè)計(jì)意圖。三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工方面為滿足結(jié)構(gòu)承載力的需求，通常在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中柱與梁板選擇不

8、同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。施工規(guī)范規(guī)定柱的施工縫宜留設(shè)在梁底標(biāo)高以下20mm-30mm處，其原則是施工縫宜留在結(jié)構(gòu)受力小且便于施工的位置。施工時(shí)，為方便柱身混凝土的下料與振搗，在梁內(nèi)鋼筋未綁扎之前進(jìn)行澆注。按施工規(guī)范的要求，當(dāng)梁柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)，節(jié)點(diǎn)處應(yīng)按。弱梁強(qiáng)柱”的原則。在實(shí)際施工中，施工班組制定合理的節(jié)點(diǎn)保證措施，監(jiān)理人員加強(qiáng)對(duì)澆注質(zhì)量的監(jiān)管和提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能十分重要。四、應(yīng)用國(guó)家推薦的新技術(shù)、新材料隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 國(guó)內(nèi)外技術(shù)的交流， 用于工程建設(shè)的新技術(shù)、新材料不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于工程實(shí)踐， 工程技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)收集這方面的資料及工程應(yīng)用情況， 從工程經(jīng)濟(jì)的角度分析其應(yīng)用條件，

9、 以使得工程設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。由于工程綜合效益的需要設(shè)計(jì)寬扁梁時(shí)， 寬扁梁的受力縱筋選用hrb400 鋼筋較為合理， 一方面降低了配筋率， 另一方面使得縱筋配筋排數(shù)最少， 梁的有效高度增大。對(duì)于地面以下或處于潮濕工作環(huán)境中的梁， 由于梁的裂縫寬度控制較嚴(yán)， 梁的受力縱筋選用hrb400鋼筋有時(shí)就不經(jīng)濟(jì)了。輕質(zhì)墻體材料較普通墻體材料單方價(jià)格要高， 但工程中如果墻體較多， 柱網(wǎng)跨度較大， 地基承載力又低， 采用輕質(zhì)墻體材料是最適合的了， 這些都要具體分析選取。結(jié)語(yǔ)：鋼筋混凝土技術(shù)在世界范圍類發(fā)展的總歷程已經(jīng)超過(guò)100年，雖然在時(shí)代發(fā)展與科技進(jìn)步的過(guò)程中不斷有新型技術(shù)出現(xiàn)，但是時(shí)至今日這種技術(shù)的應(yīng)用范圍依然非常廣。在其經(jīng)歷的100年中，鋼筋混凝土的制作工藝以及其自身具有的強(qiáng)度與韌度隨著時(shí)代的發(fā)展也有一定程度的提升。由于此種技術(shù)的成本較低且我國(guó)結(jié)構(gòu)建筑需求較高，所以我國(guó)使用這種技術(shù)極多。參考文獻(xiàn)：1 魯智.淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)j. 中外建筑. 2009（04）2 曹庭分，