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【摘要】框架结构中用钢量的多少取决于多种因素，减少钢材的使用量是多层框架结构设计中的一个重要指标。减少用钢量的前提是合理的结构布置，基础取决于荷载取值的正确性，计算参数的慎重选择，当然适当的构造措施也是设计人员设计出安全经济结构的必要步骤。本文笔者从多层框架结构的基本原则出发，对多层框架结构设计中减少钢材用量的各种措施谈谈自己的看法，以期对大家能有所借鉴。
【关键词】多层框架；结构设计；用钢量
【 abstract 】 frame structure with steel amount of how much depends on many factors, reduce the use amount of steel multilayer frame structure design is one of the important indexes. Reduce steel quantity is the premise of reasonable structure layout, foundation depends on the correctness of the load determination, the calculated parameters discreet choice, of course, the appropriate structural measures is also design researchers designed a safe and economic structure of the necessary steps. This article from the multilayer frame structure of the basic principle, the structure design of multilayer frame in reducing the dosage of steel all sorts of measures to talk about their attitudes to the everybody can be reference.
【 key words 】 multilayer frame; Structure design; Steel quantity
中图分类号： TU318 文献标识码：A 文章编号：
前言
新的钢筋混凝土结构设计规范刚刚实施不到一年，新规范中提出了在提高结构的可靠度之上加大了10%～15%的用钢量，这引起了相关的设计人员的重视，设计人员对这超出范围的钢材用量提出了疑问和思考。那么，设计人员必须在满足规范的前提下，降低钢材的用量成为设计人员的主要任务。
一、多层框架结构设计中框架结构优化的基本目标与原则
在多层框架结构设计中对框架结构进行优化设计其目标是旨在保证结构安全性的前提下，最大程度地降低结构设计中的含钢量，并可以使得结构位移最小化，进而有效的控制结构造价成本。然而在具体优化设计中，构件的截面尺寸和截面高度很大程度上决定了框架的用钢量、结构位移程度以及造价成本。因此，在满足强度、刚度、稳定性前提下，如何做到截面面积尽可能的小、形状尽可能的优化，进而对截面的尺寸做出最经济合理的选择，最终实现减少结构用钢量最省和造价最低的优化目标。
二、多层框架结构设计中减少钢材用量的措施
1、结构布置要合理
在结构设计的行业中，设计人员都追求合理的结构布置。那么只有结构工程师有着丰富的设计经验和高度的敬业精神，最重要的是有扎实的结构力学的基础，这样才能在满足建筑设计的要求下做出合理的结构布置，这是每一个结构工程师必须注重思考的事情。
例如长沙河西某工程，地上为多层框架结构，地下为一层地下车库，因抗浮水位较高，需进行整体抗浮设计，考虑了三种方案进行比较：
方案一：采用抗浮锚杆；方案二：采用较稀的8mx8m的人工挖孔桩抗浮；方案三：采用较密的5mx5m的人工挖孔桩抗浮。经过计算比较：方案一（锚杆）工程费用2267万元；方案二（较稀的人工挖孔桩）工程费用为4486.18万元；方案三（较密的人工挖孔桩）工程费用3531.82万元。通过比较得知，采用锚杆方案造价相对挖孔桩方案经济，在施工时间许可的前提下，锚杆方案最经济，否则加密桩方案较可取。通过以上案例可见不同的结构布置对用钢量及造价的影响相当大。
如果一个结构设计人员对建筑设计有一定的理解能力，那么结构设计人员在就可以参与一定的建筑设计，这样就使得之后可能存在的建筑和结构设计之间的矛盾得到有效的解决，当与建筑师有了更深的沟通之后，就可以获得更合理的结构布置方案，但是实际情况是，做建筑的不懂结构，做结构的不懂建筑。在新实行的抗震规范中，对建筑设计有了更高的要求，比如一个竖向不规则的建筑、平面极为不规则、平面的大开洞等这些本身建筑方案就存在缺陷的设计，即使建筑设计再美观，那也是不合理的。
2、荷载的取值要正确选取
在设计计算中，正确的荷载取值是减少用钢量的基础，它也关系到整个工程用钢量的多少，所以设计人员在进行计算时要充分的对待这个问题。建筑结构中的附加恒荷载值必须按照建筑大样的详图来计算，建筑附加的活荷載值严格按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006版）来取值，对于设计人员，不能擅自放大取值，当遇到具有一些特殊的功能的建筑时，比如超市、仓库，设计人员应该和甲方一同测算活荷载的取值；当遇到工业建筑时，必须按照工业建筑中相应的设备荷载来取值，此时不应将活荷载进行折减；当遇到一些规范中荷载可折减的建筑时，应该严格按照规范的给定的折减系数进行折减。当按照GB50009-2001中的附录C中给出的取值，相应的活载不做折减，但是设计人员应该按照板、梁和柱墙基础进行分步的计算，从而对其进行相应的结构配筋。当工业建筑的活载不进行具体取值计算时，计算出来的结果不够精确和安全。
3、计算参数的选择要慎重
现在的结构设计软件中，设计人员只需要输入大量的参数后就可以进行相应的结构设计计算，这些参数的取值和选择也直接影响着整个结构中的用钢量的多少，所以，设计人员在进行结构计算时，必须清楚每个设计参数的含义，这样才能正确的选择。
1）周期折减系数的选择
周期折减系数的选择影响着结构竖向构件中的配筋，当设计人员不清楚周期折减系数的具体折减问题，随意的进行折减就会影响到结构的刚度，最后影响到梁柱配筋的取值。实际上，周期折减系数应该根据填充墙的分布来进行适当的取值。在《建筑抗震设计手册》中给出了较为合理的取值方法，也就是应该根据有填充墙框架榀数和框架总榀数的比值，并且考虑有没有门窗洞口来选择。如果一个5层的办公楼框架体系，周期折减系数采用0.7要比采用0.85的用钢量提高了10%～20%。所以周期折减系数的正确选择是至关重要的。
2）梁端弯矩的放大系数
这个参数是早期的设计软件中没有活荷载不利布置而设置的。现在的结构计算软件中都装上一相应的活荷载不利布置的功能模块，所以梁端弯矩放大系数不需要再进行放大，但是现在的设计人员还是按照之前的对其进行放大，从而造成了不必要的浪费。
4、构造措施一定要适度
结构的构造措施在结构的安全可靠性方面起到了相当重要的作用，设计人员在设计时应该严格按照规范的要求进行构造设施的设计，这样才能提高结构的安全性。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中写到了，在过去的规范中，规定应该沿梁的全长配置贯通的钢筋，笔者认为这个规范是不妥当的。因为，在实际的应用中，钢筋不可能全长的贯通，每根钢筋的长度是有限的，所以在实际工程中，钢筋必须要进行搭接，所以必须进行分段布置。在支座处宜将负筋拉通，这样就节省了钢筋的用量，也符合了我们在最初想要节省用钢量的目的。另外《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中在板的最小配筋率方面做出了相应的规定，当在配置现浇板的简支边的负筋时，应该满足《混凝土结构设计规范》,所以不能按照最小配筋率计算配筋，这也会导致钢筋用量的增多，造成不必要的浪费。
5、地震信息的正确选择
目前结构计算软件在地震信息的输人中都有3个选项：1）耦连，2）偶然偏心，3）双向地震，这三个不同的选项，其结构竖向构件有不同的用鋼量。据SATWE（中国建筑科学研究院 PKPM CAD工程部 应现代高层建筑发展的要求，专门为高层结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件）开发人员统计，框架结构考虑双向地震作用的柱配筋比单向地震作用时增加了5%-8%，框剪结构增加了20%-50%，因此我们并不能盲目地选择，而是需要充分地理解三个选项的意义，做到有的放矢。耦连、偶然偏心、双向地震三个概念均是为考虑水平地震作用下结构产生的扭转效应而提出的，应视结构在水平地震作用下产生扭转效应的轻重而定。如何判断结构是否扭转严重，目前很多专家及一些新规范的讲座都一致认为，用层位移比来表达较为合适。笔者认为，当楼层最大弹性水平位移(或层间位移)与该层两端弹性水平位移(或层间位移)的平均值比值大于1.2较多，一般A级高度大于1.4，B级高度或复杂高层大于1.3，则可认为结构扭转比较明显，需要考虑双向地震作用。多层结构参考高层取值。当多层框架层位移比超限时，也可通过以下措施作调整:(1)加强外边框架梁；(2)加大柱截面;(3)改变柱的方向，尽量使位移比小于1.4，从而也就不用考虑双向地震作用了。
三、结语
总之，在整个结构设计的过程中，一方面，设计人员应该在不违反规范的基础上利用多种途径来降低用钢量；另一方面，设计人员只有深刻的理解相关的规范才能进行对结构的优化，从而做出更合理经济的结构。
【参考文献】
[1] 李慧敏,张胜东.结构设计参数设置对框架结构含钢量影响分析[J].山西建筑,2011(15).
[2] 李 斌,张 飞.轻骨料矩形钢管混凝土框架抗震性能试验研究[J].内蒙古科技大学学报,2010(3).
[3] 郅 辉.混凝土框架降低含钢量的设计[J].黑龙江科技信息,2011(29).
[4] 徐亚丰,汤 泓，刘永前.钢骨高强混凝土框架边节点试验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2004(4).
[5] Weinert，M，Eschenauer，H．A parallel decomposition algorithm in application to structural design[J].Adcances in Engineering Software,1996,(04).
[6] J F Aguilar Madeira,H Rodrigues and Heitor Pina．Multi-objective optimization of structuress topology by genetic algorithns[J]．Advances in Engineering Software,2005,(36).
【关键词】多层框架；结构设计；用钢量
【 abstract 】 frame structure with steel amount of how much depends on many factors, reduce the use amount of steel multilayer frame structure design is one of the important indexes. Reduce steel quantity is the premise of reasonable structure layout, foundation depends on the correctness of the load determination, the calculated parameters discreet choice, of course, the appropriate structural measures is also design researchers designed a safe and economic structure of the necessary steps. This article from the multilayer frame structure of the basic principle, the structure design of multilayer frame in reducing the dosage of steel all sorts of measures to talk about their attitudes to the everybody can be reference.
【 key words 】 multilayer frame; Structure design; Steel quantity
中图分类号： TU318 文献标识码：A 文章编号：
前言
新的钢筋混凝土结构设计规范刚刚实施不到一年，新规范中提出了在提高结构的可靠度之上加大了10%～15%的用钢量，这引起了相关的设计人员的重视，设计人员对这超出范围的钢材用量提出了疑问和思考。那么，设计人员必须在满足规范的前提下，降低钢材的用量成为设计人员的主要任务。
一、多层框架结构设计中框架结构优化的基本目标与原则
在多层框架结构设计中对框架结构进行优化设计其目标是旨在保证结构安全性的前提下，最大程度地降低结构设计中的含钢量，并可以使得结构位移最小化，进而有效的控制结构造价成本。然而在具体优化设计中，构件的截面尺寸和截面高度很大程度上决定了框架的用钢量、结构位移程度以及造价成本。因此，在满足强度、刚度、稳定性前提下，如何做到截面面积尽可能的小、形状尽可能的优化，进而对截面的尺寸做出最经济合理的选择，最终实现减少结构用钢量最省和造价最低的优化目标。
二、多层框架结构设计中减少钢材用量的措施
1、结构布置要合理
在结构设计的行业中，设计人员都追求合理的结构布置。那么只有结构工程师有着丰富的设计经验和高度的敬业精神，最重要的是有扎实的结构力学的基础，这样才能在满足建筑设计的要求下做出合理的结构布置，这是每一个结构工程师必须注重思考的事情。
例如长沙河西某工程，地上为多层框架结构，地下为一层地下车库，因抗浮水位较高，需进行整体抗浮设计，考虑了三种方案进行比较：
方案一：采用抗浮锚杆；方案二：采用较稀的8mx8m的人工挖孔桩抗浮；方案三：采用较密的5mx5m的人工挖孔桩抗浮。经过计算比较：方案一（锚杆）工程费用2267万元；方案二（较稀的人工挖孔桩）工程费用为4486.18万元；方案三（较密的人工挖孔桩）工程费用3531.82万元。通过比较得知，采用锚杆方案造价相对挖孔桩方案经济，在施工时间许可的前提下，锚杆方案最经济，否则加密桩方案较可取。通过以上案例可见不同的结构布置对用钢量及造价的影响相当大。
如果一个结构设计人员对建筑设计有一定的理解能力，那么结构设计人员在就可以参与一定的建筑设计，这样就使得之后可能存在的建筑和结构设计之间的矛盾得到有效的解决，当与建筑师有了更深的沟通之后，就可以获得更合理的结构布置方案，但是实际情况是，做建筑的不懂结构，做结构的不懂建筑。在新实行的抗震规范中，对建筑设计有了更高的要求，比如一个竖向不规则的建筑、平面极为不规则、平面的大开洞等这些本身建筑方案就存在缺陷的设计，即使建筑设计再美观，那也是不合理的。
2、荷载的取值要正确选取
在设计计算中，正确的荷载取值是减少用钢量的基础，它也关系到整个工程用钢量的多少，所以设计人员在进行计算时要充分的对待这个问题。建筑结构中的附加恒荷载值必须按照建筑大样的详图来计算，建筑附加的活荷載值严格按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006版）来取值，对于设计人员，不能擅自放大取值，当遇到具有一些特殊的功能的建筑时，比如超市、仓库，设计人员应该和甲方一同测算活荷载的取值；当遇到工业建筑时，必须按照工业建筑中相应的设备荷载来取值，此时不应将活荷载进行折减；当遇到一些规范中荷载可折减的建筑时，应该严格按照规范的给定的折减系数进行折减。当按照GB50009-2001中的附录C中给出的取值，相应的活载不做折减，但是设计人员应该按照板、梁和柱墙基础进行分步的计算，从而对其进行相应的结构配筋。当工业建筑的活载不进行具体取值计算时，计算出来的结果不够精确和安全。
3、计算参数的选择要慎重
现在的结构设计软件中，设计人员只需要输入大量的参数后就可以进行相应的结构设计计算，这些参数的取值和选择也直接影响着整个结构中的用钢量的多少，所以，设计人员在进行结构计算时，必须清楚每个设计参数的含义，这样才能正确的选择。
1）周期折减系数的选择
周期折减系数的选择影响着结构竖向构件中的配筋，当设计人员不清楚周期折减系数的具体折减问题，随意的进行折减就会影响到结构的刚度，最后影响到梁柱配筋的取值。实际上，周期折减系数应该根据填充墙的分布来进行适当的取值。在《建筑抗震设计手册》中给出了较为合理的取值方法，也就是应该根据有填充墙框架榀数和框架总榀数的比值，并且考虑有没有门窗洞口来选择。如果一个5层的办公楼框架体系，周期折减系数采用0.7要比采用0.85的用钢量提高了10%～20%。所以周期折减系数的正确选择是至关重要的。
2）梁端弯矩的放大系数
这个参数是早期的设计软件中没有活荷载不利布置而设置的。现在的结构计算软件中都装上一相应的活荷载不利布置的功能模块，所以梁端弯矩放大系数不需要再进行放大，但是现在的设计人员还是按照之前的对其进行放大，从而造成了不必要的浪费。
4、构造措施一定要适度
结构的构造措施在结构的安全可靠性方面起到了相当重要的作用，设计人员在设计时应该严格按照规范的要求进行构造设施的设计，这样才能提高结构的安全性。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）中写到了，在过去的规范中，规定应该沿梁的全长配置贯通的钢筋，笔者认为这个规范是不妥当的。因为，在实际的应用中，钢筋不可能全长的贯通，每根钢筋的长度是有限的，所以在实际工程中，钢筋必须要进行搭接，所以必须进行分段布置。在支座处宜将负筋拉通，这样就节省了钢筋的用量，也符合了我们在最初想要节省用钢量的目的。另外《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中在板的最小配筋率方面做出了相应的规定，当在配置现浇板的简支边的负筋时，应该满足《混凝土结构设计规范》,所以不能按照最小配筋率计算配筋，这也会导致钢筋用量的增多，造成不必要的浪费。
5、地震信息的正确选择
目前结构计算软件在地震信息的输人中都有3个选项：1）耦连，2）偶然偏心，3）双向地震，这三个不同的选项，其结构竖向构件有不同的用鋼量。据SATWE（中国建筑科学研究院 PKPM CAD工程部 应现代高层建筑发展的要求，专门为高层结构分析与设计而开发的基于壳元理论的三维组合结构有限元分析软件）开发人员统计，框架结构考虑双向地震作用的柱配筋比单向地震作用时增加了5%-8%，框剪结构增加了20%-50%，因此我们并不能盲目地选择，而是需要充分地理解三个选项的意义，做到有的放矢。耦连、偶然偏心、双向地震三个概念均是为考虑水平地震作用下结构产生的扭转效应而提出的，应视结构在水平地震作用下产生扭转效应的轻重而定。如何判断结构是否扭转严重，目前很多专家及一些新规范的讲座都一致认为，用层位移比来表达较为合适。笔者认为，当楼层最大弹性水平位移(或层间位移)与该层两端弹性水平位移(或层间位移)的平均值比值大于1.2较多，一般A级高度大于1.4，B级高度或复杂高层大于1.3，则可认为结构扭转比较明显，需要考虑双向地震作用。多层结构参考高层取值。当多层框架层位移比超限时，也可通过以下措施作调整:(1)加强外边框架梁；(2)加大柱截面;(3)改变柱的方向，尽量使位移比小于1.4，从而也就不用考虑双向地震作用了。
三、结语
总之，在整个结构设计的过程中，一方面，设计人员应该在不违反规范的基础上利用多种途径来降低用钢量；另一方面，设计人员只有深刻的理解相关的规范才能进行对结构的优化，从而做出更合理经济的结构。
【参考文献】
[1] 李慧敏,张胜东.结构设计参数设置对框架结构含钢量影响分析[J].山西建筑,2011(15).
[2] 李 斌,张 飞.轻骨料矩形钢管混凝土框架抗震性能试验研究[J].内蒙古科技大学学报,2010(3).
[3] 郅 辉.混凝土框架降低含钢量的设计[J].黑龙江科技信息,2011(29).
[4] 徐亚丰,汤 泓，刘永前.钢骨高强混凝土框架边节点试验研究[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2004(4).
[5] Weinert，M，Eschenauer，H．A parallel decomposition algorithm in application to structural design[J].Adcances in Engineering Software,1996,(04).
[6] J F Aguilar Madeira,H Rodrigues and Heitor Pina．Multi-objective optimization of structuress topology by genetic algorithns[J]．Advances in Engineering Software,2005,(36).