钢筋混凝土结构优化设计

刘开敏

摘要：钢筋混凝土建筑结构设计是一个循环往复的复杂过程，所以设计者应能够正确面对困难与挑战，执行的规范、规程应根据具体工程上区别对待，对地方标准应补充和延伸，设计要创新，观念适应市场经济，重视结构概念设计的重要性，对结构软件计算结果应有正确的判断和分析，这样才能保证结构设计的最终经济性与准确性。本人结合多年来的工作经验，对钢筋混凝土建筑结构优化设计进行了研究。

关键词：钢筋混凝土；结构；优化设计

一、钢筋混凝土结构优化设计的意义

一个项目建设的全过程需要经历策划、设计和施工等三个阶段，在这三个阶段中，虽然设计所花费的费用只占整个工程费用1%～2%，但设计对整个项目经济性指标的影响最大，其影响程度能够达到近七成，因此在制定建筑方案的阶段就应开始优化。但是由于在设计过程中，设计人员没有结构优化的意识，或者是因为工程量大、设计任务重、时间紧迫的原因，选择结构方案时按照个人经验选取，不注重概念设计，导致方案达不到经济性的要求，发生结构选取不合理等情况。到目前为止，国内还没有一个适用于大多数结构优化的数学模型，往往都是根据具体情况酌情处理，最终都要使所有的结构构件达到极限承载能力时，此时即为最优解，这也是结构优化的核心思想。

二、钢筋混凝土结构设计的原则

1、设计的钢筋混凝土结构必须具有实用性，实用是钢筋混凝土结构的主要要求，只有突出钢筋混凝土结构的实用性，整个钢筋混凝土结构设计也才能适应市场的需要，也才能满足使用者的各类需求，钢筋混凝土结构的设计工作也才能找到实施的基础。

2、钢筋混凝土结构的安全性原则

钢筋混凝土结构设计过程中应该突出安全，一方面要确保钢筋混凝土结构施工过程中安全目标的实现，要为钢筋混凝土结构施工创造一个安全的环境，这是进行钢筋混凝土结构设计的必要前提。另一方面要确保钢筋混凝土结构使用的安全，力争在建筑物和钢筋混凝土结构的使用寿命中做到对安全的保证，这是对建筑功能和使用者人身安全的重要基础。

3、钢筋混凝土结构的整体性原则

应该将钢筋混凝土结构的设计工作进一步深化，使整体性原则得到进一步落实，让整个钢筋混凝土结构达到一个性能综合、结构连续的整体，在实现对建筑物功能维护的同时，确保整个工程的统一。

一、钢筋混凝土框架结构优化设计方法及步骤

1、常用的结构优化设计方法概述

结构优化设计大致可以分为三类， 即尺寸优化、性能指标优化和拓扑优化。

（ 1） 尺寸优化。

对结构进行优化设计的最简单和最直接的做法是修改结构单元的尺寸， 亦即在优化设计过程中将结构的尺寸参数作为设计变量， 这种方法称为结构尺寸优化设计。运用这种方法， 人们可以对结构进行优化， 以达到目标函数最优的目的。但尺寸优化不能改变原结构的形状和拓扑， 很难对原设计进行较大的修改。

（ 2） 性能指标优化。

常用的形状设计方法将控制结构形状的某些边界控制点的几何信息取为设计变量， 由这些控制点生成结构的边界， 从而达到改变结构的形状， 使目标函数最优的目的。性能指标优化既可以改变结构单元的尺寸， 又可以改变结构的形状。

（ 3） 拓扑优化。

结构拓扑优化方法的主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料的分布问题。它不仅要解决尺寸优化问题， 还要确定结点间杆件的连接方式， 是结构优化领域中更为困难、更具挑战性的课题。

2、优化设计步骤

通常对钢筋混凝土框架结构进行优化设计， 可以采用建立数学模型的方法进行优化设计， 即把工程实际问题用数学表达式表示， 包括选定设计变量， 选择目标函数， 建立约束方程等几个步骤。

（ 1） 给定参数。指预先给定的描述结构特性的参数。在优化过程中，其值是固定的， 因此可以作为常数考虑， 如荷载、柱高、梁长、弹性模量以及材料容重等一般都属于给定参数。

（ 2） 明确设计变量。优化设计中待确定的某些参数， 称为设计变量。一个结构的设计方案是由若干个量来描述的， 这些量可以是结构构件的截面尺寸， 如面积、惯性矩等几何参数， 也可以是结构的几何参数， 如结点坐标、高度、跨度和间距等， 还可以是结构材料的力学或物理特性参数， 如材料的弹性模量等。设计变量是最优化设计数学模型的基本组成部分， 是最优化设计最后所要确定的参数。

（ 3） 构造目标函数。利用设计参数描述追求目标（ 如重量、造价） 的数学表达式称为目标函数， 也称为直函数、评价函数， 它是设计变量的函数， 代表所设计结构的某个最重要的特征或指标。优化设计就是要从许多的可行设计中， 以目标函数为标准， 找出这个函数的极值（ 极小值或极大值） ， 从而选出最优设计方案。结构的体积、造价、刚度、承载力、自振频率等都可以根据需要作为优化设计中的目标函数。

（ 4） 构建约束条件。优化设计寻求目标函数极值时的某些限制条件， 称为约束条件。它反映了有关设计规范、计算规程、运输、安装、施工、构造等各方面的要求， 有的约束条件还反映了优化设计工作者的设计意图。

三、建筑结构设计的施工方面

为满足结构承载力的需求，通常在结构设计中柱与梁板选择不同强度等级的混凝土。施工规范规定柱的施工缝宜留设在梁底标高以下20mm-30mm处，其原则是施工缝宜留在结构受力小且便于施工的位置。施工时，为方便柱身混凝土的下料与振捣，在梁内钢筋未绑扎之前进行浇注。按施工规范的要求，当梁柱的混凝土强度等级不同时，节点处应按。弱梁强柱”的原则。在实际施工中，施工班组制定合理的节点保证措施，监理人员加强对浇注质量的监管和提高整体结构的抗震性能十分重要。

四、应用国家推荐的新技术、新材料

随着科学技术的发展， 国内外技术的交流， 用于工程建设的新技术、新材料不断出现并应用于工程实践， 工程技术人员应及时收集这方面的资料及工程应用情况， 从工程经济的角度分析其應用条件， 以使得工程设计经济合理。

由于工程综合效益的需要设计宽扁梁时， 宽扁梁的受力纵筋选用HRB400 钢筋较为合理， 一方面降低了配筋率， 另一方面使得纵筋配筋排数最少， 梁的有效高度增大。对于地面以下或处于潮湿工作环境中的梁， 由于梁的裂缝宽度控制较严， 梁的受力纵筋选用HRB400钢筋有时就不经济了。轻质墙体材料较普通墙体材料单方价格要高， 但工程中如果墙体较多， 柱网跨度较大， 地基承载力又低， 采用轻质墙体材料是最适合的了， 这些都要具体分析选取。

结语：

钢筋混凝土技术在世界范围类发展的总历程已经超过100年，虽然在时代发展与科技进步的过程中不断有新型技术出现，但是时至今日这种技术的应用范围依然非常广。在其经历的100年中，钢筋混凝土的制作工艺以及其自身具有的强度与韧度随着时代的发展也有一定程度的提升。由于此种技术的成本较低且我国结构建筑需求较高，所以我国使用这种技术极多。

参考文献：

[1] 鲁智.浅谈钢筋混凝土框架结构的优化设计[J]. 中外建筑. 2009（04）

[2] 曹庭分，蒋玉川.利用Ansys和Matlab联合求解钢筋混凝土框架结构的优化设计问题[J]. 四川建筑科学研究. 2009（03）

[3] 张潇.钢筋混凝土框架结构设计及优化探讨[J]. 现代商贸工业. 2009（13）

[4] 赵鑫.地震荷载作用下框架结构的优化设计[J]. 山西建筑. 2006（14）