鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、    鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計    劉開敏摘要：鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是一個循環(huán)往復(fù)的復(fù)雜過程，所以設(shè)計者應(yīng)能夠正確面對困難與挑戰(zhàn)，執(zhí)行的規(guī)范、規(guī)程應(yīng)根據(jù)具體工程上區(qū)別對待，對地方標準應(yīng)補充和延伸，設(shè)計要創(chuàng)新，觀念適應(yīng)市場經(jīng)濟，重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的重要性，對結(jié)構(gòu)軟件計算結(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)計的最終經(jīng)濟性與準確性。本人結(jié)合多年來的工作經(jīng)驗，對鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行了研究。關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計一、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的意義一個項目建設(shè)的全過程需要經(jīng)歷策劃、設(shè)計和施工等三個階段，在這三個階段中，雖然設(shè)計所花費的費

2、用只占整個工程費用1%2%，但設(shè)計對整個項目經(jīng)濟性指標的影響最大，其影響程度能夠達到近七成，因此在制定建筑方案的階段就應(yīng)開始優(yōu)化。但是由于在設(shè)計過程中，設(shè)計人員沒有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意識，或者是因為工程量大、設(shè)計任務(wù)重、時間緊迫的原因，選擇結(jié)構(gòu)方案時按照個人經(jīng)驗選取，不注重概念設(shè)計，導(dǎo)致方案達不到經(jīng)濟性的要求，發(fā)生結(jié)構(gòu)選取不合理等情況。到目前為止，國內(nèi)還沒有一個適用于大多數(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)件達到極限承載能力時，此時即為最優(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)計的原則1、設(shè)計的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必須具有實用性，實用是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要要

3、求，只有突出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實用性，整個鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計也才能適應(yīng)市場的需要，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)計工作也才能找到實施的基礎(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)計過程中應(yīng)該突出安全，一方面要確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中安全目標的實現(xiàn)，要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造一個安全的環(huán)境，這是進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的必要前提。另一方面要確保鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用的安全，力爭在建筑物和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命中做到對安全的保證，這是對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)計工作進一步深化，使整體性原則得到進一步落實，讓整個

4、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達到一個性能綜合、結(jié)構(gòu)連續(xù)的整體，在實現(xiàn)對建筑物功能維護的同時，確保整個工程的統(tǒng)一。一、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及步驟1、常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法概述結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計大致可以分為三類， 即尺寸優(yōu)化、性能指標優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。（ 1） 尺寸優(yōu)化。對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的最簡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)計過程中將結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)作為設(shè)計變量， 這種方法稱為結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計。運用這種方法， 人們可以對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化， 以達到目標函數(shù)最優(yōu)的目的。但尺寸優(yōu)化不能改變原結(jié)構(gòu)的形狀和拓撲， 很難對原設(shè)計進行較大的修改。（ 2） 性能指標優(yōu)化。常用的形狀設(shè)計方法將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些

5、邊界控制點的幾何信息取為設(shè)計變量， 由這些控制點生成結(jié)構(gòu)的邊界， 從而達到改變結(jié)構(gòu)的形狀， 使目標函數(shù)最優(yōu)的目的。性能指標優(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） 拓撲優(yōu)化。結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓撲問題轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。它不僅要解決尺寸優(yōu)化問題， 還要確定結(jié)點間桿件的連接方式， 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)計步驟通常對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計， 可以采用建立數(shù)學(xué)模型的方法進行優(yōu)化設(shè)計， 即把工程實際問題用數(shù)學(xué)表達式表示， 包括選定設(shè)計變量， 選擇目標函數(shù)， 建立約束方程等幾個步驟。（ 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、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)計變量。優(yōu)化設(shè)計中待確定的某些參數(shù)， 稱為設(shè)計變量。一個結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案是由若干個量來描述的， 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)點坐標、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)計變量是最優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的基本組成部分， 是最優(yōu)化設(shè)計最后所要確定的參數(shù)。（ 3） 構(gòu)造目標函數(shù)。利用設(shè)計參數(shù)描述追求目標（ 如重量、造價）

7、的數(shù)學(xué)表達式稱為目標函數(shù)， 也稱為直函數(shù)、評價函數(shù)， 它是設(shè)計變量的函數(shù)， 代表所設(shè)計結(jié)構(gòu)的某個最重要的特征或指標。優(yōu)化設(shè)計就是要從許多的可行設(shè)計中， 以目標函數(shù)為標準， 找出這個函數(shù)的極值（ 極小值或極大值） ， 從而選出最優(yōu)設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)的體積、造價、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)計中的目標函數(shù)。（ 4） 構(gòu)建約束條件。優(yōu)化設(shè)計尋求目標函數(shù)極值時的某些限制條件， 稱為約束條件。它反映了有關(guān)設(shè)計規(guī)范、計算規(guī)程、運輸、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)計工作者的設(shè)計意圖。三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計中柱與梁板選擇不

8、同強度等級的混凝土。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，為方便柱身混凝土的下料與振搗，在梁內(nèi)鋼筋未綁扎之前進行澆注。按施工規(guī)范的要求，當梁柱的混凝土強度等級不同時，節(jié)點處應(yīng)按。弱梁強柱”的原則。在實際施工中，施工班組制定合理的節(jié)點保證措施，監(jiān)理人員加強對澆注質(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)用國家推薦的新技術(shù)、新材料隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 國內(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)用于工程實踐， 工程技術(shù)人員應(yīng)及時收集這方面的資料及工程應(yīng)用情況， 從工程經(jīng)濟的角度分析其應(yīng)用條件，

9、 以使得工程設(shè)計經(jīng)濟合理。由于工程綜合效益的需要設(shè)計寬扁梁時， 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， 梁的受力縱筋選用hrb400鋼筋有時就不經(jīng)濟了。輕質(zhì)墻體材料較普通墻體材料單方價格要高， 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：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100年，雖然在時代發(fā)展與科技進步的過程中不斷有新型技術(shù)出現(xiàn)，但是時至今日這種技術(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度與韌度隨著時代的發(fā)展也有一定程度的提升。由于此種技術(shù)的成本較低且我國結(jié)構(gòu)建筑需求較高，所以我國使用這種技術(shù)極多。參考文獻：1 魯智.淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計j. 中外建筑. 2009（04）2 曹庭分，