结构优化设计：如何充分利用材料力学性能实现经济性与安全性双赢

结构优化设计并不是降低结构安全性，而不仅仅是去除无效成本，而是要充分利用结构体系和结构构件的力学性能特点，充分发挥其力学优势，充分利用材料力学性能性能等可能的合理设计，以下是一些结构优化设计的小总结：

1、充分利用材料的力学性能：充分利用混凝土的抗压性能，利用钢筋或型钢的抗拉性能，具有较高的经济性；

例如：目前C30混凝土单价为450元/立方米，而钢筋则为4000元/吨左右，折合为31400元/立方米。

抗压强度：抗压强度约为混凝土的25倍。因此，采用钢筋受压，其性价比仅为混凝土的1/2.8。

对于抗压强度：钢材的议价强度约为混凝土的250倍。因此，采用钢筋进行恢复，其性价比是混凝土的3.5倍。

对于抗压刚度：钢材的弹性模量E=2×10MPa，C30混凝土E=3×10MPa，两者之比约为7：1。1/10。

因此，充分利用混凝土的抗压性能和刚度性能，充分利用钢筋或型钢的抗拉性能。因此，必须了解结构的结构是如何控制结构的，并充分利用材料的材料性能。

2、当钢筋混凝土受弯构件总成本最低时，配筋率：当钢筋混凝土受弯构件总成本等于混凝土成本时，钢筋混凝土总成本为最低的；当体积单价为体积/钢筋时，钢筋混凝土的总成本最低。若混凝土单价为500元/m3，钢筋单价为4000X7.8=3120元/m3，则ρ=1.6%，弯曲构件将受到弯曲构件的影响。当分配率为1.6%时，钢筋混凝土总成本最低，因此对构件截面合理选取结构设计值。当配筋率约为该值时，构件总成本最低。

3、简化输电通道导致成本增加：目前地下屋面板设计中，无梁建筑之所以经济性更好，是因为无梁建筑盖板的计算模型是基于有限元计算的，即更适合实际的传播途径；梁板结构的结构过于简化。实际的传输路径可以直接从板传递到垂直组件。

4、一切内力均由变形引起：构件断面或构件受力是否由变形引起，如构件边界支撑情况、桩基承载能力、相对竖向刚度内力梁板的传输方式等等，都必须是第一位的。考虑相对刚度变形，再考虑实际应力状态。例如，桩基础处于软土层上下，下部软土层的摩擦力小于理论计算值；

5、摩擦桩通过增加截面来增加单桩承载力是不经济的：单桩承载力随单边桩径增加而增加，单桩混凝土用量随桩身增加而增加直径。立柱D400桩面积为1.256，横截面积为0.1256，直径扩大为D600。桩表面积为1.884，横截面积为0.2826。只增加了50%，当然不划算。因此，摩擦桩应尽可能采用小直径桩且桩长较好。另外，加长桩可以更有效地利用深层土质的力学特性；

6、端头桩可在桩端增加截刀或端头，以增加单桩承载力：端头桩是指一定深度的桩端已到达具有良好力学性能的土层，使得充分利用土层良好的力学性能。加大桩截面，扩大桩端，采用后注浆，单桩承载力提高，桩数减少，承载平台面积具有良好的经济性；

7、抗浮设计时，如需设置抗浮桩，可增加重量或抗浮抗浮桩的重量或数量。与附加材料相比，部分重量的增加无疑节省了抗浮成本。例如：直径500抗桩，桩间距为4.0mx.0m。如果考虑每根反桩减少100kn阻力，可通过增加砂石重量来减少桩长。 M、碎石垫层为150元/m3，两者的性价比为：250x3.2/(4x4x0.95x150)=0.35；

8、构件受力要好，尽量增加支撑面的经济性能：例如：某幕墙设计由4点支撑改为四点支撑来支撑方形玻璃，其应力和挠度都会减小很多。

9、控制裂缝的梁，选择小直径钢筋：保护层越小，越有利于裂缝控制。横梁过大或过小都会造成肌肉增大，因此断面高度要适中。需要注意的是，当梁的计算高度达到一定水平时，保护层的厚度会增加。需要加大掺混量来保证裂缝的宽度。事实上，保护层厚度实际上是增加了。不一定是坏事；

10、框架结构中，荷载尽可能经济地传递到短跨框架梁上：梁的跨高（混凝土体积）一般与柱网跨度L成正比，梁与弯矩柱的啮合成次要关系，则梁与筋也与筋也与筋。它与柱网的跨度L成正比，即L2/L=L，即相同尺寸的荷载传递到大跨度到小跨度比较。如果长跨截面长度不大，梁的带箍差为两倍（L大/L小），对筋的影响较大。因此，载荷通过尽可能短的路径传递到垂直构件，经济性较好；

11、剪力墙结构的剪力墙厚度一般为：11层住宅：0.09～0.10m； 18层：0.12～0.13m； 25层住宅：0.14～0.15m；

12、不与主楼相连的简易地下车库。由于地下室的构成主要是土体的底板和顶板，二层地下车库的单方造价一般低于一层车库，但土库坡道面积较小占很大比例。除地下水位高、地基薄弱外，成本增加了大型支护的成本；

13、关于单桩静载试验值得理解：单堆试验桩占桩总数的1%，且不少于3根，是通过概率抽查确定工程的单桩承载力;试验桩基试验承载力差（最大试验桩的承载力减去最小试验桩的承载力）大于静载试验单桩承载力平均值的30%时，不能只需使用最小值作为工程桩单桩。承载能力。这种情况说明桩基承载力较大，需要增加试桩数量。最重要的是找出原因。增加检测桩数后，若极值差异小于静载试验单桩平均承载力的30%，则以平均值作为桩基承载力极限值。但对于桩数少于3根的柱下桩，应采用试验的最小值作为单桩承载力的极限值；

14、回填桩基后回填地面填土：桩基施工完成后，返回填海区回填土。抵抗力也会产生不利影响；

15、静压桩压力桩值和静载试验值：当直径比大的桩侧为粘性土时，一般情况下：静载值大于静压桩值，且侧侧为粘性土。桩边是沙子。当土或粉土时，静载值比静压桩小；

16、筏板与地下水的计算。建议按内力加法计算筏板内力。设计了枯水期弹性梁、板的值；

17、当抗浮设计水位较高时，特别设置抗桩时，基础必须与干水位分开计算；

18、圆锥形或阶梯形断面的最小底面积：根据基本设计规范8.2.12，当基本断面为圆锥形或阶梯形基础时，可计算最小兼容率。换算截面宽度和截面有效高度计算最小配筋率；

19、独立基础锥基础坡度不大于1：3，边缘高度不小于200mm；

20、T型字形剪力墙翼缘长度对剪力墙刚度影响较大，类似于矩形梁受翼缘受压的效果；

21、钢结构框架浇筑成楼板结构。梁设计为组合梁，充分利用混凝土楼板的刚度和强度。

22. 地震是一种孤立振动。橡胶支撑将结构和基础分成两部分。结构支撑在橡胶座上后，其侧刚度大大削弱，振动的周期延伸延长。 ;其中，橡胶抗震支架是通过切割变形吸收的，所以基本不是垂直振动。橡胶支撑更适合框架底部切割变形集中的切割变形部位。强度低，严格控制建筑物的高宽比，避免超过1MPa的应力。

23、地下车库地面顶层一般采用无梁楼面铺装经济，其余楼层采用有梁楼面经济性较好；

24、有弱下层或更换基础基础设计：有弱下层基础，增加基础尺寸。当基本宽度B最小化时，Z/B值增大，应力扩散角θ也相应增大，充分利用较好的上土层。因此，可考虑采取以下措施，尽量采用较好的上层土，并有较好的经济效益：

（1）方案设计时尽量采用小柱网，减少基本尺寸；

(2)基础尽可能轻，即增大Z值；

(3)保证基本面积不变，增加基本面积，减少基本面积B。

同样，采用地基法处理地基时，考虑上述措施，也具有较好的经济性。