结构工程优化设计与结构措施

白向军

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摘要：在中国建设事业迅速发展的同时，对其进行了大量的研究和探讨。文章从结构的耐久性、安全性、舒适性、经济性等方面，详细论述了建筑结构的最优设计方法，为实际应用提供了依据。在建筑结构设计中，我们要面对很多的问题，只有从建筑结构、材料和建造工艺等多个角度出发，才能得到最优的设计方案。而优化设计就是将一些不利的局面转化为有利于工程的局面，这是一种全面的分析与评判。在工程实践中，通常采用以可靠度为基础的计算与分析方法。在进行结构设计时，应重视各组成部分的布局、结构体系的选型、计算与分析、构造形式的选取。

关键词：建筑工程；工程结构；结构优化措施

引言

这栋楼的生命周期与安全均达到了标准。住房在商业化之后，应该成为一种永久的居住对象，它与其它生活用品相比最大的特征就是生命周期较长。所以，建筑结构的耐久性和安全性能是建筑结构设计中最根本的要求。在建筑物的构造系统和材料的选择上，都要考虑到防风、防震的要求，并在其服役期间对其进行更新和维护。建筑设计要着眼于提高人们的生活品质，要使人们的生活品质得到提升，从而使人们的居住环境更加美好。在建筑设计中，也要考虑到将来的居民对住宅分区的影响，在结构设计中，要依据所处的层数、平立面形态等因素，在满足耐久性、安全性和舒适度的条件下，选择一种经济合理的结构体系。在元件的设计上，我们应该认真思考，严格执行，并且要小心地避免不需要的浪费。特别是在地基设计时，由于其对工程造价有较大的影响，因此，应特别注意其经济性。

一、建筑设计的最佳化

(一)建造中的房屋周期下跌系数。在房屋框架结构和屋盖结构等结构中，因墙体的存在，其实际刚度远高于计算值，如果剪力过小时，可能会引起房屋结构的安全隐患，因此，为保证结构抗震性能，需合理地缩短计算时间。但是，对于房屋框架结构来说，这种方法并不适合其计算周期，而且折减系数也不宜太小。

(二) 最大限度地使用寿命。在已有的钢筋砼结构设计中，许多未对钢筋砼结构的耐久性进行足够的重视，即确保钢筋砼结构建成后，在一定的使用年限内，仍能满足使用者的日常使用需求。但目前许多工程设计无法达到可靠性要求，究其根源，在于未充分考虑服役环境、工作环境等因素对结构造成的破坏，进而降低建筑物的可靠性。本论文主要是对建筑结构的地震反应进行理论与设计上的研究。因此，该方法可以满足建筑结构的抗震要求。

二、计算机辅助设计

房屋的抗震设计分为两个部分，一是房屋的地震作用分析，二是房屋的抗震性能测试。

(一)确定地震作用

地震动作也叫地震荷载，它以水平、竖向、扭转三种地震荷载的形式存在，其幅值与地震波的物性及结构特性有着密切的联系。当前，反应谱法、振型分解反应谱法、动力反应谱法等已被越来越多地用于地震动作用的计算。

(1)以拟静态法为基础，研究散粒体的动态响应（自震周期、振型、阻尼），构建散粒体的动态响应图谱；通过求解散粒体的最大惯性力，获得其等效的地震动荷载；在此基础上，开展散粒体的动力响应分析和设计。但大震时，由于受内力和变形等因素的影响，其强度很难测定，为此，人们提出延性和延性这一新概念。

(2)传统的反应谱方法仅适合于一自由度系统，如能把反应谱与模态分解原理相结合，使之能应用于多自由度系统，即振型分解反应谱。本文提出了一种基于非线性有限元模型的抗震分析方法。在应用振型分解响应谱法分析地震激励及其影响时，不需考虑扭耦耦合的结构，其各模态质点的水平地震作用标准值与其对应的地震响应系数、各质点的水平相对位移、模态参与系数、荷载的代表性值等因素有关。

(二)概念性设计

在强震下，由于传统的塑性矩阵方法，单纯依靠结构的计算方法很难精确地反应其抗震性能，其根本原因在于，现有的弹塑性矩阵方法往往不能很好地反映出结构的整体性能。对建筑细节有较好的认识，可以进行理性设计，也就是概念设计。

概念设计应遵守以下几个原则：

(1)选择场地、地基对地震有利

在选址时，要尽可能选择好的地段，如开阔、平整、坚硬；应尽量避免在受地震影响较大的区域，例如基础不良、容易液化、基础不良的区域；若不能彻底消除地震动，则应采取增强地基与上部结构整体刚度、换土及桩基等措施。

(2)对地震响应有利的建筑形式的选择

在进行建筑物的设计时，应尽量做到结构简单，比如简单的平面，立面形状可为正方、圆等，这种结构形式可以让结构在地震时有更直观、更明确的传递途径，也有利于对结构的受力与变形进行分析，从而发现结构的薄弱部位。但是，在建筑的平面和墙体中，经常会有一些小的拐点，这些拐点极易引起局部应力和变形，因此，需要对它们进行特别的处理。为防止在地震作用下发生扭转损伤，房屋的平面、立面必须有规律的对称，且其刚度及颗粒分布要满足结构设计的需要。

(3)结构体系在地震作用下的选择

建筑抗震体系必须满足多层抗震设防要求，以避免因局部构件或构件的破坏而使整体系统失去抗震性能或抵抗自重荷载作用的原理。该体系的构造简单，地震动传递途径较为合理；承载力大，变形大，减震效果好；在此基础上，提出了一种新的抗震设计方法，即通过优化设计，使其具有较好的抗弯承载能力，使其能在较弱的部分形成较大的应力，并使其发生塑性变形。

(4)保证建筑物在地震时的延性

延性是指建筑物在遭受强烈冲击时的变形能力，它的延性可以有效地吸收更多的震源，并能承载更大的冲击。文中还介绍了“强柱弱梁”、“强墙弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点、强锚固”、“强受力、弱抗拉”等设计思想，指出了在地震作用下需要考虑的一些问题。

(5)适当地处理非结构部分

非结构部件指的是女儿墙、围护墙、隔板、幕墙和安装在建筑物上的辅助机械、电气设备等，它们与主体结构牢固地连接或锚定，避免在地震中倒塌，导致生命财产损失，严重的还会对关键设备造成损害。

结束语

建筑结构的合理与否，不仅关系到建筑的安全性、实用性、经济性和合理性，而且还与工程的质量密切相关。建筑设计师要根据目前的经济状况和发展态势，确立一种宏观上合理的建筑设计思想，对建筑设计规范、经济措施和设计准则进行科学的设计，从而在满足不同设计要求的同时，提升人民的居住品质。在确保建筑物安全、使用舒适、节约成本的前提下，对建筑物进行优化设计已成为当前建筑学界的一个热门课题。

参考文献

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