通过结构优化设计提高结构的抗震性能

　　摘要：在设计中进行结构优化是必须的，但不能简单地理解为仅仅是减少钢筋和混凝土的用量，应当从建筑方案设计阶段就开始结构方案的初选，通过多种方案的计算比较才能获得建筑、结构协调一致的最优方案，从而为业主提供最佳的产品。
　　关键词：结构分析，优化设计，抗震性能
　　一前言
　　汶川地震给全中国乃至全世界人民带来无法忘却的震撼。作为基本建设项目的管理者,应自我反省，提高管理能力。在建筑结构上的必要投入，建设有安全保障的项目，是项目建设各参与方必须承担的义务。
　　汶川地震发生后，建设部在7月31日即颁布了《建筑抗震设防分类标准》[1]和《建筑抗震设计规范》修订版[2]，从标准上提高重要建筑的抗震设防等级，这是十分必须的，也是非常及时的，为新建建筑的设计及时提供了依据。
　　近年来，不断上涨的土地价格给项目建设成本控制带来极大的压力。同时为了追求更新颖的建筑风格，各种标新立异、形式独特的结构形式不断涌现，如角窗、大开洞、大悬挑、底部大空间、高位转换、连体、空中花园、大高宽比、超高层住宅等等。由于土地价格的市场化,其价格难以控制,降低工程造价，特别是减少建筑结构中的钢筋和混凝土用量就成为部分业主追求的直接目标，甚至在设计合同中设置不合理的控制最高用钢量的条款。而项目管理人员和设计人员片面理解结构优化设计就是降低材料用量，把所有结构构件中的钢筋用量都按照规范规定的最低要求进行设计，从而给建筑结构的安全性、耐久性带来隐患。
　　二影响结构抗震性能的因素
　　结构优化设计不仅仅是一个专业的工作，一栋建筑最终能够取得优化设计的效果，一定是建筑、结构、水、暖和电五个专业密切配合的结果。一般来说，影响结构抗震性能的因素主要有以下几个方面。
　　1建筑方案
　　(1)平面布置
　　在建筑方案设计时进行结构的初步整体计算分析非常重要。通过分析，将影响整体结构抗侧刚度、抗扭刚度的因素以及平面规则性、楼板连续性等对结构抗震不利的问题，及时向建筑师提出调整意见，这样就可以达到建筑结构的协调，同时也能提高工作的效率。《高层建筑混凝土结构技术规程》[3]第4.3节对结构水平及竖的规则性上有明确定的规定：如在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。
　　(2)角窗
　　结构优化应当在建筑方案设计时就要参与。对于高层项目,角窗的设置导致剪力墙端部缺少约束,其空间作用的效应大大降低,对平面的整体刚度的贡献也要下降,因此为满足规范对最大位移与平均位移的比值限值要求,就不得不加大墙体的厚度,从而增加混凝土的用量,特别值得注意的是当最外侧的四个角部设置角窗时，结构工程师应通过计算进行对比分析，使得结构的质心和刚心尽可能重合，从而减小由于角窗的存在而导至的结构的扭转。
　　(3)高宽比
　　高宽比的大小对整体结构抗侧刚度的影响很大,当结构的高宽比大于6时，结构在风荷载作用下的位移就可能已超过规范限值，即使所有的隔墙都采用剪力墙都可能满足不了规范的限值要求，这样的平面布置，钢筋和混凝土的用量都比较大，经济性也较差。因此，在建筑方案设计时，应适当增加平面宽度，降低高宽比，在平面布置中设置一定数量的通长墙体，提高墙体的抗侧刚度。
　　(4)转换层
　　在高层建筑设计中,应尽量避免采用整个楼层的转换。如果建筑功能上确实需要有底部大跨度空间的要求,则应保证有足够数量的落地剪力墙,对于局部墙体转换尽量采用梁式转换,避免采用厚板转换或多级次梁转换。采用整个楼层的转换结构,除了转换构件的用钢量较大以外,由于结构构件的抗震等级提高,以及相应的抗震措施大大加强,构造钢筋的配筋量要提高,因而整体结构用钢量会大大提高。
　　(5)悬挑阳台
　　在居住建筑中，外挑阳台伸出长度1.5m-2m是常见的，汶川地震震后情况表明：在工程中如果对这种外挑阳台处理不当，会对结构的竖向抗震性能极为不利。因此工程师在结构设计的过程中一定要在阳台的角部设置接各层阳台的构造柱，从而改善结构的竖向抗震性能。另外，为了保证挑板有足够刚度，根部板厚一般取1/12-1/10外挑长度，但相邻房间楼板厚度一般均小于挑板根部的厚度，为了使阳台处的连梁不承受过大扭矩，宜采取相邻房间楼板厚度与阳台挑板厚差不超过30mm，阳台挑板配筋按相邻楼板厚度计算确定。阳台挑板与楼板上皮标高相同时，挑板上钢筋伸入相邻楼板的长度与挑板长度相等，当挑板与楼板上皮标高不同时，则上述钢筋各自在连梁中满足受拉锚固长度。
　　(6)出屋面塔楼
　　现代建筑为了要注美观，往往在屋顶做出形式各异的造型，很多工程师在设计过程中都未对此类情况以足够的重视，而汶川地震则用事实向大家说明：出屋面小塔楼在地震作用下的破坏是很严重的；特别是在中震或大震时，小塔楼的鞭梢效应起了很大的作用。因此，在进行小塔楼的结构设计时，一方面应尽量减少不必要的构件重量，另一方面应提高结构构件的抗震措施，提高构件的延性。对于不利于抗震的建筑造型、构架应及时向建筑师提出优化设计设计建议，避免建筑物在遭受地震时发生严重的损害。
　　2抗震构造措施
　　要达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，必须按照规范的抗震措施以及构造措施进行设计。规范中的构件最小截面尺寸、最小配筋率是作为结构受力的最低要求，对于重要的部位、重要的构件还应当提高其抗震性能。在钢筋混凝土结构中，一般情况下，框架、框架—剪力墙结构中的框架柱在整体计算中都是构造配筋，但这次汶川地震的大量震害表明，框架结构出现塑性铰时都发生在柱顶，说明并没有实现“强柱弱梁”的目标,柱子的抗弯强度相对梁而言还是偏小；对于框架—剪力墙结构、剪力墙结构中的剪力墙，其分布钢筋往往在整体计算中也表现为构造配筋，如果按照规范剪力墙分布钢筋最小配筋率的要求设计，200mm厚的墙体只要配置Φ8@150的钢筋,这显然是不合适的，Φ8钢筋在施工中的稳定性都难以保证；针对框架结构中的框架柱截面的最小尺寸也应当予以限制，以保证框架柱在中震或大震下具有足够的强度和延性。从汶川地震的震害调查中也可以看到，如果能够按照现行有关结构设计规范的要求设计的建筑，是基本可以达到抗震设防目标的。
　　3预应力管桩的应用
　　近年来，为了降低工程造价，不管地质条件如何，大量的工程都千方百计的使用预应力混凝土管桩。例如，存在较厚的淤泥土层、临近海边的有腐蚀性的场地、桩端为中风化岩层而其上部没有足够厚度的具有约束能力的土层等等。预应力管桩固然具有桩身强度高、施工速度快、造价低等等优点，在大量的工程中应用，这是可以理解的也是符合市场的要求。但不是所有的地质条件都可以使用，由于预应力混凝土管桩存在抗水平承载力低、桩身壁厚较薄、容易折断等缺点；且桩管之间的连接靠的仅仅是端板之间的焊缝，其抗腐蚀性的能力缺少有效的措施；此外，由于市场上管桩的供不应求也带来桩身质量的不稳定等。每一项工程的基础设计都应当根据场地的实际情况仔细分析研究，选择合适的基础形式，该增加的投入则应当予以保证，避免给新建建筑带来不安全的隐患。
　　三小结
　　以上的几点思考和探讨，是在日常项目建设管理工作中遇到比较多的部分，在具体工程设计中还有很多工作需要设计人员去完成。结构设计的优化工作必须坚持不懈地开展，针对每一项工程的设计，应当根据其建筑特点，在建筑方案设计时就制定优化设计的目标，从方案开始就进行结构的初步计算分析，对于影响结构体系的抗震性能的关键因素要及时向建筑师提出建设性意见，综合良好的抗震性能、合理的钢筋用量、安全保障、合理舒适的使用功能等各种因素，把结构优化设计与建筑功能达到良好的协调一致作为建筑师与结构工程师共同努力的方向。
　　参考文献
　　[1]GB50223-2008,建筑工程抗震设防分类标准.
　　[2]GB50011-2001(2008版),建筑抗震设计规范.
　　[3]JGJ3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程.              硕士论文网