[分享]颤抖吧,结构师的心脏!前辈的结构优化笔记!

发表于2015-10-29    517人浏览    0人跟帖    总热度:350  

一、桩基设计优化总结

一、通过试桩方式确定桩基承载力时,根据抗压桩的Q~S 曲线进行分析确定时,要考虑液化土层对承载力影响,在地震作用下,液化土层对桩体的不同部位会产生不同方向的作用, 因此要结合地质勘查报告的剖面对每个勘探孔进行核算,确定液化层对承载力影响值,然后将Q~S 曲线得出的承载力减去影响值,才可以作为桩基在地震作用下的承载力。穿过液化土层部分,桩身全长配筋,穿过液化土层后,钢筋量可以适当减少。

【这条基本是增加结构用量和保证桩基安全的建议,结构优化时,节材很重要,安全更重要。】


二、 桩顶下 5D 内配置螺旋式箍筋,间距为 100mm,桩身受压强度验算考虑纵向钢筋的作用。另外一处写到:本工程设计考虑配筋率 0.55%桩身受压承载力提高10%,实际设计中考虑提高3.5%,作为安全储备。

【这条我很少采用,主要是做过的桩基一般由桩土承载力控制,或者我根本就没往这方面想过,以后可以参考,不过按书中给的数据,钢筋提供的承载力占全部的承载不到10%,貌似效率较低。】


三、桩身箍筋配置方式是8@100/250。抗压桩和抗拔桩均采用这类方案。

【注意间距的变化,不用按上部结构设计思维配置。】


四、介绍两种桩型,相同直径下,一种是长螺旋钻孔灌注桩,单桩承载力是2150kn,一种是泥浆护壁钻孔灌注桩,单桩承载力也是2150kn,前者造价是8000元,后者造价是12500元。

【两者造价差异在于成孔、吊装费用,根据书中介绍,前者是后者的1/3,这样玩的话,泥浆护壁工艺有啥优势?最后这个工程采用泥浆护壁工艺,原因在于可以使用后压浆技术,压浆和施工费用不高,但桩基承载力提高较多,性价比高是最终原因。】


五、减少桩基数量的优势有很多种。

【设计人员很少想到的是,大头如投资造价、缩短工期等,小的方面如桩基检测费用,少一半的桩基,检测数量也会减少一半。】


六、桩基方案选择主要是进行桩基承载力效率对比。

【桩基承载力效率等于上部承载力与结构材料用量之比, 此值约大结构效率越高。这点并不是单一推算过程可以得到简单结论,与桩端、桩侧承载力比例有关系。】


七、桩基密集时,桩的相互影响导致支撑刚度降低,桩的总承载力适当超出荷载值是适当的。

【这句话是专家意见,我在想两个事,一是比如上部荷载值是100kn,下部桩基承载力控制在100~105kn 是比较恰当的,这是我想的,所以设计需要重视上部荷载与桩基承载力的比值。二是桩基密集时,难道不计算群桩效应吗?难道现在规范又变化了?】



二、还是桩基设计优化总结,关于 PHC 管桩抗拔设计,2006 年上海地区 PHC 桩使用量超过 2800 万米, 貌似上海倒下的那个楼用的就是这种桩型。

八、后压浆液水灰比。地下水位以上宜采用 0.8,地下水位以下宜采用 0.5,终止注浆压力宜为 2~3MPa。注浆量 G=and+a1nd,其中 d 为桩径,n 为侧注浆断面,an取 1.5~1.8,a1取 0.5~0.7。

【没计算过,以后遇到可参考。】


九、PHC桩相比预制方桩和钻孔灌注桩,无需考虑因严格的裂缝控制而增加配筋来增加桩身抗拉能力。
【抗拔桩受力形式主要是拉力,混凝土的抗拉能力弱,这与抗压桩不同,抗压桩发挥的是混凝土抗压能力,PHC 桩通过预应力保持混凝土受压状态。】


十、PHC管桩需要由型号、直径、壁厚、桩长四个参数确定,一般有四个型号,分别为A/AB/B/C型,其有效预应力和配置的预应力钢筋都是逐步增加的,造价相应增加。
【抗拔桩与承压桩不同,抗拔能力最大值是确定的,抗压能力则随桩型不同有很大不同,因此最有效的方式是桩土承载力特征值与抗拔力最大值接近,其次对比造价比率。】


十一、PHC管直径从300~1000,壁厚从70~130。对于摩擦桩而言,直径越小,壁厚越薄,性价比越高,其中性价比可以用单方混凝土提供的承载力衡量。摩擦桩的承载力与周长成正比,混凝土量与面积成正比。
【这个总结的思路是正确的,但是也有问题,既然直径越小,性价比越高,那生产直径 300 以上的桩型还有什么用?还有就是直径越小,那不如用抗拔锚杆好了,直径更小。这篇文章中桩型由直径 500 变成 300,桩数由 1915 根减少至 1138 跟,看到这只能说原设计基本扯淡,有时候很多人想了解结构优化,其实结构优化的本质是设计人要进行结构材料用量分析,计算正确时,如果有上述数据,作为设计人员选用哪种桩型是很明确的事情。】


十二、管桩的桩尖有很多种形式,不同地质情况应采用不同的桩尖,常见的有十字型桩尖、圆锥型桩尖、开口型桩尖。压桩出现断桩问题,主要是桩尖滑移变形过大造成。
【桩尖变化主要是桩尖形式变化,桩尖由钢材制成,造价差异是钢材用量决定,这部分造价差异不大,案例中两类桩尖相差 40元,几千根也不过十万块的上衣, 但是要考虑断桩因素, 如果一根桩长 25米, 单价 200元/米。 造价为 5000元,几千根桩断桩率大于10%,那就是上百万的买卖啦。】


十三、PHC桩在施工中容易出现的问题是接桩时,管桩接头处焊缝质量不满足设计要求。
【抗拔设计时,往往采用两节桩或更多节桩,来达到抗拔效果,但是接头处在拉力状态下断裂,就意味这焊缝下的桩没有任何用处,因此设计说明应重点要求监督接桩施工质量。】


十四、桩基优化可以邀请岩土勘察公司做咨询工作。
【结构工程师的长处在于结构分析,岩土工程师的长度在于岩土分析。地勘报告中的数据也是经验数据,很多系数是可以改变的,如果抗拔承载力系数提高15%,在理论上分析,不用做更多工作,桩基数量就可以减少 15%,这比结构工程师想破脑袋要容易的多。】


十五、桩本身的设计参数没有达到设计要求。
【这话挺拗口,实际意思是你设计需要 100 马力的跑车,结果人家给你拉来一台70马力的娘炮车。怎么办?这事基本属于以暴制暴的方法解决,砸开一个管子看看里面的材料是否正确。】


十六、沉桩的挤土效应及引起的超孔隙水压力不可忽视。
【这个在设计说明中经常写,就是后面打桩会影响前面的桩的垂直度,貌似一般解决的办法是采用合理的沉桩设备和沉桩方式,控制沉桩速率,合理安排沉桩流程。】


三、井字梁楼盖与单向板楼盖技术经济指标分析

关于这两类楼盖的比较,我大概在工作五六年的时候进行过思考,结构工程师很容易掉进技术范凑里,而忽略经济性的思考,这是设计思考习惯的两个延展方面。


一、井字梁楼盖有很多优点,如楼盖刚度大、受力传力均匀,梁板受力合理,梁下整齐美观。

【如果说一类事物是美好的,你会发现所有的结构形式都是很合理的东西,这就像你的朋友说介绍个美女,说得天花乱坠你相信了,结局往往很伤感。这篇文章后来提到,甲方经常要求将井字梁楼盖设计图纸改成单向板楼盖,主要理由是井字梁楼盖不经济,于是你终于明白,有些胸脯大完全是胸罩拖起来的!】


二、 通过技术经济分析,方形柱网的两种楼盖的主体结构形式、混凝土消耗量基本相同,楼板钢筋耗量相同,而梁的耗钢量相差很大,以原文设计条件相比,井字梁结构单位平方米钢筋用量多10kg。另外模板工程量多于单向板楼盖,导致施工成本增加,施工周期延长。

【我以为对比者会下结论说井字梁楼盖不够经济,但文章接着说,随着柱网增大,楼面允许荷载增大,地震烈度提高,井字梁的优越性会足部体现出来。 说了半天还是没有啥结论,关于这个我是持怀疑态度的,比如柱网跨度小的时候,设计更倾向于用板承载,板实际上是密集肋组成的,而柱网放大,在静力计算原则下只不过是数值变化而已, 梁的弯矩变化是一样的。 所以还是要进行方案对比,看设计倾向性在哪里。】


三、两个方案单方数据如下:

井字梁楼盖

板13.01+梁 46.37+柱 4.36=63.74kg

单向梁楼盖

板13.62+梁 36.44+柱 5.12=55.18kg

【这个数据的绝对值并不重要,但是如果对结构优化比较敏感的人,应该从这个数据中看出点问题和设计思路,我的感觉至少在板的方面,井字梁的优势没有任何发挥。】


四、另一个工程钢筋指标有了变化:

井字梁楼盖

板14.33+梁 43.14+柱 4.53=62.00kg

单向梁楼盖

板7.69+梁 33.72+柱 4.53=45.94kg

【这个工程的数据对比更加有倾向性,如果以这个数据进行探讨,双向板是没有任何优势的,钢筋都去哪了?】


五、貌似单向板图面清晰些。

【井字梁楼盖和单向板楼盖都是很好的楼盖形式,各自都有优势,从我个人经验,更倾向于单向板楼盖,其优势在于单向的优势,如果发挥长处必然优于井字梁楼盖。井字楼盖设计的困难实际是很多人将井字受力体系因为边柱刚度影响变成主次梁楼盖,这就不是发挥井字梁的优势。】


四、地下车库结构优化设计

关于这方面,书里有几篇文章都在谈,

总体思路是压缩地下室层高,但是很少谈为什么要压缩层高,其实最主要的原因跟高层一样,越高造价越高,挖土钻孔也是如此。


一、根据建筑平面方案布置情况,结合给排水、电气、通风、空调等各专业的设计要求,将所有设备房间布置在地下室建筑平面的左上角。

【结构优化如果只在结构自身上做文章,其活动的余地可能很有限,因为方案在大层面上决定造价, 这就好比16米柱网在大概率上成本是高于8米柱网的,所以结构优化要从大的方面去决定战略,在细节方面决定战术,结构造价肯定无敌。这篇文章所做的事情就是说服各专业以节材的思路去做设计,将设备机房放在一个角落,减少设备管线长度及占用层高的范围,既是为结构优化创造条件,也为各专业提供解决思路,这往往不是结构工程师爱做的事情,平面怎么布局,就怎么做结构,优化是很难的。这样说起来很简单,但是需要结构工程师对其它专业的设计有所了解,否者你是调动不了其它专业的思路。】


二、 机械车库楼层的下移引起底板恒荷载的增加,对底板抗浮验算有利。

【从数据上分析,机械车库的恒荷载并不会带来绝对性有利影响,但是这个思路确实提醒结构工程师要把各种荷载因素考虑在设计中,数值虽小,但是对于大面积计算影响可能会超出我们的预想,这点称赞!但是也有隐患,即机械车库有使用寿命问题,设备更换时会减少恒荷载分布,这点需要注意。】


三、车库部分柱网为 6.2X9.0米,楼层层高为 3.1米,层高组成如下:

层高3.1 米,建筑面层 0.1 米,建筑净高 2.1 米,设备管线 0.4米,结构高度 0.5米。

【记住这组数据,对于结构工程师做优化方案就会有明确的参考目标,稍有疑问的是建筑净高,我的印象里应该是 2.2 米,显然这个设计将局部空间充分利用,而设备专业一般不太喜欢 0.4米的紧张尺度,结构高度也不太爽,6.2米可以解决,9.0米则需要一些解决办法,否者很头疼。】


四、为选择合理的楼面结构形式,设计前对三种不同的楼面形式通过有限元分析进行配筋比较。

【我从工作起始,画过很多种楼盖,这三种方案我做过两种,第三种没有用过,很多时候我们会觉得我们我们走了很远,实际只是自我设限。这三种方案从大的概念讲都是托板结构,一是平板+柱帽,二是平板+托板,三是加厚柱上板带。从这三种方案可以看,无梁楼盖可以有很多变化形式,主要是改变支座刚度变化,从而影响跨中弯矩,有限元分析可以细致模拟受力情况,在概念设计指导下可以得到细致结果。文章最后选择的不是钢筋用量最少的方案,而是钢筋管理更便于施工的方案,所以结构优化并不是纯粹地省钢筋。但是我还是有一点疑问,原文似乎是以弹性分析结果进行配筋,在满荷载情况下,裂缝是否会对托板刚度

有影响,这个担心也可能多余,毕竟板厚200mm,与规范推荐1/45 相符,值得后面模拟学习一下。】


五、第三个方案落选的原因没有交代。

【我的理解是荷载问题,采用较厚柱上板带,意味着大面积增加恒载载值,相比薄板部分,增加约 33%的恒荷载,薄板部分只占柱网间 1/4,配筋量自然多,这与最后方案厚板只占柱网间1/4没法相比。】



五、楼盖结构方案选择

都是大跨度楼盖方案,跨度均超过12米,

其实仔细琢磨,楼盖钢筋用量是比较多,不过很多时候设计人的关注点是不会放在楼盖上,认为楼盖的变化余地不大,但是楼盖与统计面积基本一致,单方节材量就是全部面积的平均节约量。


一、12.6X12.6 米屋面楼盖三种方案对比,一是厚板方案,板厚350mm,每平米用钢量39.84 公斤,楼盖自重1493kN。二是梁板方案,板厚 150mm,每隔2.1米布置800X600宽扁梁, 每平米用钢量47.57公斤, 楼盖自重1162kN。三是空腔箱梁方案,即楼板分上下层板,板总厚度 140mm,每隔1.05米设置250X600梁,每平米用钢量57.60公斤,楼盖自重968kN。最后选用第三种方案,总体造价低。

【这个对比稍有些混乱, 如果板的厚度越薄, 用钢量还少的方案没有被选用,结构优化就有些奇怪,第二种方案基本是打酱油的,每隔2.1米做个800 宽的梁是为了壮腰吗?剩下一三方案,第一种方案高度是350mm,第三种方案的高度是600mm,对于使用者来说肯定喜欢第一种方案,因为建筑使用空间要多250mm,另外以现在的钢筋和混凝土土建造价分析,纯粹计算楼盖造价,第一种方案造价最省,第三种造价最多,也许当年的情况不是这样。但不管怎么说,如果这么对比,我的看法还不如做空心楼板,还是350mm 厚,板重也可以减少15~20%。另外梁间板净距已经不超过 1.3米时, 板厚为何还要做到150mm,我认为做到80mm 已经很厚了。】


二、预应力平板体系。张拉预应力后形成向上作用的方向荷载平衡板自重,楼板处于轴心受压状态,还可以提高板的抗裂性,取消混凝土后浇带。

【预应力结构在教课书本中一直描写为可以节省钢筋用量的, 不过很多情况下,预应力设计一般由专业人事来设计,这就造成普通钢筋设计和预应力设计是分开的,多数会出现重叠设计的情况,好像并不节省,本篇的介绍解释了预应力的作用,这看起来很平常,但是常规设计很容易以常规设计的思路,而忽略预应力的优点,导致不愿意采用预应力的优越性。】


三、新的结构体系主要特点是将无梁楼盖的四点支撑平板转化为四边弹性支撑板,从而达到降低平板弯矩峰值,提高结构抗震性能,节约材料和加快施工进度的目的。

【结构优化并不是单纯只节省钢筋、混凝土。预应力钢筋的造价远比普通钢筋高,那为什么要用?这段话很好地诠释什么是结构优化,包括节约材料、方便施工、节约工期,创造更适震结构,而这种变化不一定是翻天覆地的结构方案变化,而是在原来成熟的结构体系上进行改进,特别是降低平板弯矩峰值,在采用高造价的预应力筋时,可以大幅降低普通钢筋用量。】


四、新结构体系楼盖折算厚度 26.8cm,每平米钢筋用量 35.8 公斤。井字梁楼盖折算厚度29.8cm,每平米钢筋用量 52.2公斤。

【这个对比很简单,如果是这样,预应力岂不是遍天下?数据可能不包含预应力数据,而仅是普通钢筋对比,既然有预应力,普通钢筋不少用那就没多大意义,否者就是在普通结构上额外增加预应力。】


五、无梁楼盖中,柱上板带分配到的弯矩占总弯矩的 70%左右,在柱上设梁后,抗弯力臂和抗弯能力明显加大,在柱网较大的情况下,这种结构形式有明显节材的效果。

【普通楼层荷载情况下,梁板结构的直接经济性应该是优于大板结构的,但是无梁楼盖的用户体验经济性和甲方销售价值型却是梁板结构无法比拟的,这是一次性投入和长期收益的选择,这就看全程设计服务的水平,因此有时候过于强调结构材料一次性投入节省,可能是以牺牲长期利益为代价,例如砌体结构的造价低于框架结构,但实用性和灵活性低。这段话实际上是设计者在保留无梁楼盖的优势,如何争取梁板结构的优势,最后取板厚220mm,柱间布置600X700梁,认为板内弯矩分布逐渐向四边固支板的弯矩分布,这实际是选择一个合适的弯矩分配,去发挥预应力的能力。其中梁内配置的预应力承担 20~30%的总弯矩,保持梁的刚度和使用性能。】


六、在预应力平板中,传统的配筋方式是双向分散配置预应力筋。新的结构体系采用带状布束,在12m的开间仅布置4条配筋带。

【板的中部一般是弯矩最大的部位,将预应力筋布置在中部,结构效率远高于分散布置,其中双向分散布置每一方向布置21 根预应力筋,带状布束每一方向布置16根预应力筋,弯矩峰值约为前者 75%,则普通钢筋配筋量就可以降低25%。】


七、在板厚 22cm,跨度 12m,跨高比达 54.5 时,使用荷载下板的挠跨比为 1/2264。

来源:徐珂博客  


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