鋼管混凝土住宅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析

張秋萍

摘要：本文研究子鋼管混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)點(diǎn)系列，實(shí)現(xiàn)了全裝配的構(gòu)想。同時(shí)，依照循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，將煤矸石工業(yè)廢料應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件當(dāng)中，變廢為寶，節(jié)約能源。

關(guān)鍵詞：混凝土；住宅；結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)建筑早已成為發(fā)達(dá)國(guó)家主流建筑之一，有較長(zhǎng)的歷史。而在我國(guó)則剛剛被業(yè)界所重視。近年來(lái)，在少數(shù)幾個(gè)大城市及鋼鐵產(chǎn)地開(kāi)始有了少量鋼結(jié)構(gòu)建筑，既有高層大廈，也有民居住宅。在住宅產(chǎn)業(yè)化及城市現(xiàn)代化建設(shè)中，鋼結(jié)構(gòu)建筑目前是我國(guó)的新事物，鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)發(fā)展較快不是偶然的，這種發(fā)展將會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期。但有關(guān)專(zhuān)家同時(shí)指出，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅目前處于發(fā)展的啟動(dòng)階段，而不是起步階段，工業(yè)化程度低，與國(guó)際水平差距較大，而且大規(guī)模發(fā)展工業(yè)化的時(shí)機(jī)還遠(yuǎn)未成熟。從涉及這個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)看，這種觀點(diǎn)有其道理?？偟膩?lái)說(shuō)，在我國(guó)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅主要存在有以下問(wèn)題：配套戶型的開(kāi)發(fā)：作為新的住宅結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)住宅有著與其他結(jié)構(gòu)不同的特色，如何突破舊有戶型的限制，開(kāi)發(fā)出符合市場(chǎng)需求、功能布局合理、經(jīng)濟(jì)適用的與鋼結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)相符合的戶型，并且引進(jìn)整體浴室、整體廚房等，使之更加符合今后住宅的發(fā)展潮流。多層、小高層鋼結(jié)構(gòu)配套問(wèn)題：從原材料角度看，與多層、小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅配套的其他部品目前尚不成熟，表現(xiàn)在品種少、質(zhì)量不穩(wěn)定、耐久性差，特別是鋼結(jié)構(gòu)住宅的圍護(hù)結(jié)構(gòu)因本土化問(wèn)題而造價(jià)偏高。應(yīng)結(jié)合中國(guó)國(guó)情，從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝、維修和管理等環(huán)節(jié)著手，加強(qiáng)管理和協(xié)調(diào)，以降低成本，提高其綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1分析原則

所謂的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在有限元法的分析方法和電子計(jì)算機(jī)的計(jì)算工具的基礎(chǔ)上，人們可對(duì)工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)先設(shè)定結(jié)構(gòu)方案，后進(jìn)行綜合考慮多方面的因素，以求得最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化分單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化。本文中，最重要的優(yōu)化目標(biāo)為結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而影響該目標(biāo)的因素很多，如：建筑平面、立面形式；結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置形式；結(jié)構(gòu)體系的選擇；構(gòu)件截面的選擇等等。本文將重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置形式及構(gòu)件截面的選擇對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其截面應(yīng)力不應(yīng)過(guò)大，原則上其應(yīng)力比不應(yīng)超過(guò)0.85，并在設(shè)計(jì)當(dāng)中盡可能調(diào)整主要構(gòu)件截面，使其應(yīng)力比接近0.85。而對(duì)于次要構(gòu)件，則采用滿應(yīng)力設(shè)計(jì)法，在滿足結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上達(dá)到降低耗鋼量的要求。

截面選擇

截面選擇是結(jié)構(gòu)優(yōu)化當(dāng)中的重點(diǎn)，對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析而言，為了達(dá)到最優(yōu)化分析，必須進(jìn)行不斷的截面調(diào)整與結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，這是一個(gè)反復(fù)迭代的問(wèn)題。因此，初選截面的好壞將直接影響到后期工作量的大小。截面選擇基本遵循以下原則：柱截面初選時(shí)，可以先初步求出結(jié)構(gòu)的自重，根據(jù)自重折算成為柱的軸力，并根據(jù)軸力初選柱的截面。

2)內(nèi)力分析及構(gòu)件驗(yàn)算

內(nèi)力分析與構(gòu)件驗(yàn)算是相互關(guān)聯(lián)、密不可分的關(guān)系。結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是對(duì)內(nèi)力不斷的進(jìn)行分析，對(duì)構(gòu)件反復(fù)的進(jìn)行驗(yàn)算和調(diào)整，最終達(dá)到最優(yōu)結(jié)果的過(guò)程。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，內(nèi)力分析和構(gòu)件驗(yàn)算通常要進(jìn)行反復(fù)多次，不斷地調(diào)整數(shù)據(jù)，達(dá)到內(nèi)力與構(gòu)件截面的優(yōu)化平衡。

3)側(cè)向位移限值

多層、小高層方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋在風(fēng)荷載作用下的層間相對(duì)位移與層高之比值不宜大于1／400。當(dāng)采用有較高變形限制的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裝飾材料時(shí)，層間相對(duì)位移與層高之比值宜適當(dāng)減?。划?dāng)無(wú)隔墻時(shí)，可適當(dāng)增大。多層、小高層方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋在地震作用下的層間相對(duì)位移與層高之比不宜大于下列數(shù)值：在多遇地震作用下(按彈性計(jì)算)：1／300；在罕遇地震作用下(按彈塑性計(jì)算)：1／500。當(dāng)采用有較高變形限制的非結(jié)構(gòu)-構(gòu)件和裝飾材料時(shí)，在多遇地震作用下的層間相對(duì)位移與層高之比值宜適當(dāng)減小。

2建筑方案

發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，住宅是重要載體。節(jié)能省地型住宅是經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變的必然要求，是我國(guó)住宅建設(shè)的發(fā)展方向和目標(biāo)，要徹底改變我國(guó)住宅建設(shè)落后的現(xiàn)狀，就必須按照減量化、再利用、資源化的原則、在住宅建設(shè)中盡可能做到節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)保。本次優(yōu)化針對(duì)我國(guó)的國(guó)情，對(duì)住宅面積標(biāo)準(zhǔn)不能要求過(guò)高。主體房型一般為50—60m2為宜，最大不超過(guò)80m2。在混凝土的選擇上選擇了煤矸石輕骨料混凝土，變廢為寶同時(shí)又減輕了結(jié)構(gòu)自重。此外，在滿足通風(fēng)采光，保證窗戶的氣密性和隔熱性的要求下，臥室不向南不影響建筑節(jié)能。每一位居住者都有自己獨(dú)特的個(gè)性，因此用同一種尺度來(lái)規(guī)范社會(huì)的人居空間，是不合理的，所以住宅需要有靈活性。從建筑設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，一梯少戶、標(biāo)準(zhǔn)層面積小的塔樓與進(jìn)深小的板樓中都更容易設(shè)計(jì)出采光通風(fēng)條件舒適、戶內(nèi)平面布局合理的戶型。在總面積不變的前提下增加有效面積，使戶型變得更緊湊，體現(xiàn)了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)適合于平面布置基本規(guī)整、勻稱(chēng)、凹凸變化較少的建筑平面，而不適宜軸線錯(cuò)開(kāi)較多，形心和質(zhì)心距離較大和易于產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)的住宅平面。本文在參考了大量國(guó)內(nèi)優(yōu)秀戶型的基礎(chǔ)上，與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)相結(jié)合，選擇如圖1所示的戶型為本文研究的對(duì)象。

該戶型功能分區(qū)合理，有效利用面積較大，在本戶型的基礎(chǔ)上可以略作調(diào)整從而得到符合住戶意愿的單元組合。本套型組合僅為建議方案，用戶在入住裝修時(shí)完全可以依照本人意愿進(jìn)行分割。從而初步體現(xiàn)了鋼管結(jié)構(gòu)住宅體系的分割靈活的特點(diǎn)。當(dāng)今小區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，住宅多為三單元或四單元連體，本套型組合僅考慮了四單元組合的形式。

3結(jié)構(gòu)方案

設(shè)計(jì)標(biāo)高：室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)高±0.000，室內(nèi)外高差0.45m，層高為3m，地上6(12)層，共18m(36m)高；建筑高寬比為18／10.2＝1.76(36／10.2＝3.53)，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2001第8.1.2條鋼結(jié)構(gòu)民用房屋最大適用高寬比限值。墻身做法：外墻、分戶墻及樓梯間均為200mm厚煤矸石ALc板，自重1.0KN／m2；戶內(nèi)分割墻為100mm厚煤矸石ALC板，自重0.5KN／m2。樓板做法：壓型鋼板煤矸石輕骨料混凝土樓板，壓型鋼板采用BD—40型，板厚1.2mm，上澆100mm厚煤矸石輕骨料混凝土，容重為19KN／m3；該壓型鋼板具有更強(qiáng)勁的混凝土握裹抗剪力，其施工簡(jiǎn)單、迅速，住戶裝修時(shí)可在鋼板底刮膩?zhàn)雍笾苯铀⑼苛匣蛸N墻紙，裝修效果與混凝土板底一樣，無(wú)需特殊裝修，更加符合我國(guó)的裝修習(xí)慣。屋面做法：不上人平屋面，煤矸石ALc屋面板+聚苯乙烯泡沫塑料板保溫層80mm厚十二氈三油；地質(zhì)資料：III類(lèi)場(chǎng)地土；抗震設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)地震第一組，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.20g基本風(fēng)壓：0.40kN／m2；基本雪壓：0.35kN／m2。

參考文獻(xiàn)

1任智杰，多層全裝配鋼骨混凝土住宅結(jié)構(gòu)的體系優(yōu)化及計(jì)算理論[碩士學(xué)位論文]，太原理工大學(xué)，2005

[2]金雪峰，方鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用，混凝土與水泥制品，2005

[3]鐘善桐，住宅建筑中推廣鋼管混凝土柱的優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)，2002