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工程管理前沿【2019年第24期】

  • ID:271572
  • 浏览:8649
  • 学科:工程地质学
  • 更新时间:2020-04-05 19:00:21
  • 期刊: 工程管理前沿
内容简介
《工程管理前沿》杂志是由中国工程院主管,中国工程院、清华大学、高等教育出版社主办的建筑期刊。国际标准刊号:2095-7513,国内统一刊号:CN10-1205/N。《工程管理前沿》的办刊宗旨:依托建设领域高层权威信息背景,旨在做好政府领导决策的重要参谋;成为政策理论探讨的前沿阵地,积极探索和引导建设事业发展方向和改革实践;提供重大事件权威报道,深度阐释焦点话题,纵深调查热点事件,努力追求权威性、建设性、实用性和可读性风格;努力做大媒介传播平台,真诚为建设企事业单位服务,为中国建设事业和城市化发展服务,为广大读者开启一个探求知识的窗口。

探讨基于能量准则的钢筋混凝土框架结构优化设计

2019/8/9 15:17:00 工程地质学 刘春宇
资料简介

摘要:对钢筋混凝土框架结构优化设计问题建立了基于能量准则的优化框架结构,为了更好的使钢筋混凝土框架结构运用到具体施工操作中,本文首先对混凝土框架结构面临的问题进行分析讨论,接着分析了其设计要点,最后给出了基于能量准则的钢筋混凝土框架结构优化具体方法,希望对以后的研究起到借鉴参考作用。

探讨基于能量准则的钢筋混凝土框架结构优化设计

刘春宇

方舟国际设计有限公司

摘要:对钢筋混凝土框架结构优化设计问题建立了基于能量准则的优化框架结构,为了更好的使钢筋混凝土框架结构运用到具体施工操作中,本文首先对混凝土框架结构面临的问题进行分析讨论,接着分析了其设计要点,最后给出了基于能量准则的钢筋混凝土框架结构优化具体方法,希望对以后的研究起到借鉴参考作用。

关键词:能量准则;框架结构;智能优化设计;钢筋混凝土

引言:钢筋混凝土框架结构的优化问题一直是建筑领域的重要研究课题,且与建筑设计和施工之间有着密切的联系,并对有抗震设防要求的建筑结构的安全和经济有着直接和关键的影响。由于问题的特殊性,框架结构的优化分析和计算通常涉及多变量优化问题,实际上框架结构的优化设计就是处理如何用尽量少的材料(尤其是钢筋)来保证建筑结构体系满足抗震要求的问题。为了寻求有效的优化计算方法,其中,典型的惩罚函数法、模拟退火技术、蚁群算法、遗传基因算法和微粒群算法等都成为用来求解大型工程优化问题的有效算法,特别在钢筋混凝土框架结构优化配置分析方面,取得了长足的进步。随着对抗震体系中钢筋混凝土框架结构优化设计方法的深入探索和研究,微粒群算法的改进算法逐渐成为科研人员研究的热点,并有望成为土木工程领域保证高效收敛于全局最优解的智能优化算法之一。

一、钢筋混凝土框架结构面临的问题

由于钢筋混凝土框架结构体系相当于底部固定顶部自由的悬臂梁体系,属于多自由度静不定结构体系,采用经验设计和手工计算来确定结构体系中所有关键构件柱和梁的截面尺寸、合理配筋率以及满足规范约束下的若干要求,必然成为工程设计人员不可能完成的任务。单纯的经验设计以及抗震结构选型和构件连接构造要求的诸多限制必然造成结构体系的混凝土用量和钢筋用量的大量浪费,我国相关建筑设计规范都对框架结构的层间位移角极限值1/1000和结构的基本自振周期0.05n至0.08n(n为结构的总层数)做出严格限制,满足结构抗震要求,故此,本文仅考虑钢筋混凝土框架结构在满足规范的结构抗震要求的前提下,解决其关键构件的几何参数的优化分析和计算问题。

二、多层钢筋混凝土框架结构设计要点

(一)框架外挑梁配筋

由于建筑占地面积、建筑使用功能等各方面因素是影响钢筋混凝土多层框架结构设计和落实的重要因素。所以,为了确保建筑工程质量和使用功能不受影响,设计单位大多将挑梁设计在框架自身梁段外,以达到建筑工程整体质量有效提升的目的。经过长期的实践应用发现,由于挑梁的实际荷载与框架梁自身的荷载相比较存在着较大的差异。因此,设计单位在工程项目设计过程中,在针对框架梁截面与外挑梁截面设计过程中,两者的实际尺寸也存在明显的差异。这也进一步说明,设计单位在进行整体设计时,必须对这两方面问题的严重性予以充分的重视,才能确保建筑工程的整体质量。

框架结构建筑的水平荷载对结构倾覆力矩及其在竖向构件中产生的轴力提出了更高的要求。所以,必须严格的按照要求掌握水平荷载才能确保结构设计符合要求。框架顶层对风荷载系数的要求也相对较高,由于屋面结构荷载主要是通过重力传递至边柱,如果轴向总荷载力小于楼层边柱总荷载时,必然会导致柱顶出现偏心过大的现象。所以水平荷载的合理布置,可以有效减小框架结构的薄弱点。

(二)调整框架柱配筋

框架柱为重要的竖向构件,由于框架柱的实际配筋相对较低,当建筑结构自身受到地震等自然灾害时,扭转剪力会对框架自身造成严重的破坏。也就是说,不管框架自身的扭转剪力出现了变大或者变小的现象,都会对建筑结构自身的承载能力受到影响,通过对建筑工程现场实际情况的分析后发现,框架结构自身所承受的双向弯矩也是影响其承载能力的关键因素。由于建筑框架结构,框架柱横梁自身具有约束力较小的特点,因此框架柱受到双向偏心压力或者地震等自然灾害时,会对框架柱的承载力造成严重的影响。所以,在工程项目设计过程中必须准确合理的计算框架结构配筋,才能在结构设计的安全性与经济性的基础上,彻底解决这一影响建筑工程质量的问题。另外,如果建筑工程遇到的地震等自然灾害时,都会导致角柱因为受到偏心力的影响,而造成灾害的发生。所以,为了避免此类情况的发生,在工程项目设计中,必须严格的按照工程项目施工的实际情况,将纵筋的截面积控制在整体计算值的25%以内。

(三)强柱弱梁节点设计

为了实现地震作用下,梁端形成塑形铰的目的,设计人员在设计的过程中,必须在保证柱端始终处于非弹性工作状态的基础上,使各个节点维持弹性工作的阶段。设计人员在建筑结构设计过程中,采用的强柱弱梁设计方式,实际上就是通过增强柱端截面抗弯能力的方式确保地震发生后,柱端截面的屈服性塑性转动不会超过其塑性转动的能力,确保墙柱不会出现被压溃的现象。另外,由于柱强于梁幅度的大小是由梁端纵筋构造超配程度大小决定的,所以,在建筑施工条件允许的情况下,设计人员应该尽可能的采取增大柱截面尺寸的方式,才能在满足控制柱轴压比规范要求的基础上,达到增加墙柱延性的目的,避免在地震发生时,柱因为进入屈服阶段而影响到塑性铰的形成。

三、优化多层框架房屋建设结构设计问题方法

(一)强化建筑结构

多层框架梁结构稳定性的高低是影响房屋安全性与稳定性的关键。因此,设计人员在设计多层框架梁结构时,必须对影响框架梁设计稳定性的因素予以充分的重视,在满足建筑物外形需求的基础上,发挥出建筑物自身的实际优势,同时做好工程成本的控制工作,为建筑工程项目的顺利进行做好充分的准备。

(二)做好建筑结构布置工作

设计人员在框架梁结构设计时,必须在确定平面柱的排列方式的同时,科学合理的选择符合要求的承重方式,才能确保建筑物内部设置保持较强的灵活性。另外,设计人员必须在充分考虑影响框架梁结构设计的外部因素,才能达到促进框架梁结构设计稳定性的不断提升。

(三)做好建筑物的内力分析工作

相关部门针对建筑物内力的计算提出了明确的要求。由于建筑结构的内在竖向荷载与水平荷载之间差异较大,所以,设计人员必须对建筑物内力的计算予以充分的重视。比如,在进行竖向荷载的计算时,设计人员可以选择分层法与弯矩二次分配法。其中分层法计算要求工作人员必须通过将上下层两端的弹性支撑改为固定端支撑的方式,再用各层柱的线刚度乘以零点九。弯矩二次分配法则要求工作人员必须先进行各个节点不平衡弯矩的重新分配与计算,才能确保最终数值的准确性。工作人员在进行水平荷载的计算时,主要是以反弯点法和D值法为主。

四、结语

总而言之,建筑工程设计人员在进行多层框架房屋结构的设计时,不可避免的会遇到各种各样的问题,作为设计人员而言必须在积极总结以往设计经验的同时,将其与现代房屋结构设计理念紧密的融合在一起。才能在确保房屋建筑结构设计有效性、科学性以及合理性的同时,为建筑工程结构设计的发展和进步奠定坚实的基础。

参考文献:

[1]张汝,王德才,种迅.钢筋混凝土框架结构基于能量塑性优化设计研究[J].建筑科学,2016,32(11):116-122.

[1]卢巧玲,张涛.基于能量准则的钢筋混凝土框架结构智能优化设计[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2016,32(06):28-32.

[5]龚纯,王正林.精通MATLAB最优化计算[M].北京: 电子工业出版社, 2015