多高層框—剪結構細部設計及技術參數控制因素的優化

施春燕

【摘 要】現今，在限額材料用量的結構設計，以及尚未有一整套通用的結構優化設計軟件的環境下，能有一套能為廣大工程技術人員容易掌握的優化理論體系，這應該是當前結構優化領域中的一個重要研究方向。鑒于鋼混多高層框架結構是當前多高層建筑常常采用的結構形式，故本文擬對多高層框架-剪結構的優化理論展開研究。

【關鍵詞】框-剪結構；細部設計；技術參數；優化設計；經濟效益；經濟配筋率

0 引言

采用現澆框架剪力墻結構，建筑的平面布置相對靈活，廣泛應用在高層住宅、旅館等居住建筑當中。所以，推廣多高層框架剪力墻結構優化技術，可以提高設計質量，避免過多的材料浪費。

1 主要結構構件的細節優化設計

1.1 梁

對梁的寬度較小的構件來說，當計算的配筋比較大時，往往需要調整鋼筋的排數，一般可以調整為配2-3排鋼筋。這樣會一定程度上減小了梁截面的有效高度。因此當不影響使用或空間觀感時，建議適當地增加結構梁截面尺寸寬度，使其盡量放置成單排主筋。或者，當條件允許時，可增加梁截面的高度，以方便混凝土的澆注。

1.2 板

對于大跨度而且較為規則的結構板，支座按設計計算配負筋，板面中央部位按構造要求配構造筋。但當板面積不大時，可配通長筋，這樣施工較為方便，也減少了剪截鋼筋及吊運的工作量，提高現場施工效率。

1.3 剪力墻

抗震等級為一、二級的剪力墻分為加強部位和非加強部位兩類。按抗震設計規范，前者應按約束邊緣構件配筋，后者則按構造邊緣構件配筋。所以，在節點區還是在其他的區域，前者的配筋量都會遠大于后者。可見，在結構設計中應該嚴格區分抗震墻的不同部位和抗震等級，對鋼筋用量的控制是起一定作用的。

1.4 柱

結構柱一般是壓彎構件，其配筋在大多數情況下是構造配筋，因此在其混凝土強度等級的合理選用，而且滿足軸壓比要求的前提下，柱的截面不宜過大，否則會增加用鋼量，同時影響了建筑空間的使用。

2 主要結構構件的截面尺寸的優化方法

2.1 梁、板的截面尺寸優化

鋼筋混凝土單筋矩形截面梁、板正截面設計時，一般是先根據其跨度確定梁高、梁寬或板厚，并選取鋼筋和混凝土強度等級，然后依據承受的彎矩設計值M計算所需配筋A■。那么，其正截面配筋率ρ一般是無法事先預知的。如果截面尺寸的選擇偏大或偏小，材料強度的選擇過高或過低，將導致配筋率過低或過高，直接影響建筑經濟效益。本文所論述的結構構件優化設計方法是在保證結構構件強度與剛度要求的前提下，合理選擇截面尺寸和材料強度。預先使截面的配筋率控制在經濟配筋率范圍內，以達到降低建筑結構成本的目的。

鋼筋混凝土單筋矩形截面梁、板正截面的設計，截面承受彎矩M確定后，可以設計出不同截面的梁。當配筋率ρ取小時，梁截面會大些。當配筋率ρ取大時，梁截面相對的會小些。根據目前材料價格和施工費用測算，單筋矩形截面梁的經濟配筋率約為0.6%-1.5%，板的經濟配筋率約為0.4%-0.8%。有學者對鋼筋混凝土梁、板正截面的設計提出了一種優化方法。其具體方法是，通過計算梁，板的配筋率影響系數氣并列表，可利用公式M=α■bh■■。

結構梁、板的截面設計時，首先根據初選的鋼筋和混凝土材料強度等級，利用表查出構件在經濟配筋率上下限時的配筋率影響系數α■，然后代入上式。當計算出構件配筋在經濟配筋率范圍內波動時，所具有的最大（M■）和最小（M■）承彎能力，將彎矩設計M與M■、M■進行比較，應該有三種情況：

（l）M

（2）M>M■時，說明所需配筋較多，高于經濟配筋率上限此時可適當增大截面尺寸，提高材料強度等級。

（3）M■

2.2 剪力墻、結構柱的截面尺寸優化

2.2.1 剪力墻

根據有關研究成果，剪力墻的軸壓比應滿足μ=N/bhf■。剪力墻單面的構造配筋應滿足A■≥1000ρ■·b/4，其中[u]為規范規定的軸壓比；N為作用于柱上的軸力，kN；b，L分別為剪力墻的截面厚度、長度，mm；f■為混凝土彎曲抗壓強度，MPa；A■剪力墻單面主筋面積，mm■； ρ■為規范規定的最小配筋率。

剪力墻的配箍率按體積配箍率配筋可滿足抗剪要求，故剪力墻的箍筋面積為A■=R■bL/1000，式中A■為柱截面箍筋面積，mm■，R■為柱的體積配箍率。

根據滿應力準則法原理，當μ→[μ]時，剪力墻的截面為經濟的，此時剪力墻的截面在滿足設計要求的情況下應是最小的截面尺寸。同時，在這種情況下，剪力墻的配筋應該也是經濟的。

此時，在初選b■、h■的截面尺寸后，以10mm為模數調整剪力墻截面尺寸，在滿足剪力墻的最小截面要求[b]=150mm及配筋要求的前提下，盡量滿足μ→[μ]，便可找出最優的截面尺寸。

2.2.2 結構柱

對于結構柱，同理使用其截面計算得的，結構柱截面在滿足設計要求的情況下應是最小的截面尺寸。同時，在這種情況下，剪力墻的配筋應該也是經濟的。

3 混凝土、鋼筋、砌體的選用

3.1 混凝土材料

大量的工程設計實踐表明，在多高層鋼筋混凝土結構建筑的設計中，采用C30、C35、C45級混凝土應較為合理經濟。但并不是等級強度取得越高，就越經濟的。因為，采用高等級混凝土材料設計，可以相應地減少構件截面尺寸。但是，結構設計除了滿足承載力強度要求外，還要滿足變形、延性要求，這些跟構件的截面尺寸有關。新型的高強混凝土建筑材料，其特點是抗壓強度高（一般為普通強度混凝土的4-6倍）、抗變形能力強、密度大、孔隙率低。因此，在特殊需要的結構中得到廣泛應用。

3.2 鋼筋

在多高層鋼筋混凝土建筑結構中，縱向受力鋼筋宜優先采用HRB400級鋼筋。受力主筋采用新Ⅲ級鋼筋來替代我國幾十年來常規采用的強度較低的HRB335級即Ⅱ級鋼，應能夠節省鋼材和節約資金。新Ⅲ級鋼筋的強度設計值為360MPa，而Ⅱ級鋼筋為 300MPa。新Ⅲ級鋼筋的價格略高于Ⅱ級鋼筋，從歷年來的資料看，應不高出超過6%左右，經測算鋼筋資金的節約在11%左右。可見這應是一項具有廣泛意義的技術節約措施，具有一定的經濟效益和社會效益。高層建筑采用高強鋼筋為主的配筋方案應該是較優的。另外，結構樓板也可采用新Ⅲ級鋼筋f8或f6mm為主的配筋方案。

3.3 非承重墻

在框架結構中，梁板柱為承重構件，墻體起分隔保護作用。多高層建筑對地震作用較為敏感，構筑物重量越大，其地震反應越大。同時，結構梁不但承擔樓板傳來的荷載，而且還要承受其上面的墻體重量。因此，采用輕型砌體，不但可減少結構梁的負擔，從而減少其截面配筋，同時減少建筑結構的地震反應，進而減少材料用量，減低工程造價。對于250厚墻，可用輕質水泥磚，而對于120厚墻，可用灰砂磚。這樣，一方面可以減輕了結構自重及地震反應，且能滿足一定的建筑節能設計要求。

4 混凝土結構用鋼量的主要控制措施

4.1 采用合理的結構體系

4.2 合理分析控制性計算結果，正確輸入各個計算參數的取值

4.3 推廣使用高強 HRB400鋼筋和高強混凝土

4.4 樓板鋼筋在工程鋼筋用量中占有較大的比例，應合理控制樓板鋼筋用量

5 結束語

總之，設計中既要反對片面的強調節約，忽視技術上的合理要求，使項目達不到功能的傾向。同時，也應該反對重視技術，輕經濟、設計保守浪費的現象。

【參考文獻】

[1]林德忠.框架-剪力墻結構的剛度優化方法[J].河北建筑工程學院學報，2000（9）.

[2]江歡成.優化設計的探索與實踐[J].建筑結構，2006（6）.

[責任編輯：王洪澤]