多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量?jī)?yōu)化措施

王立波 秦志偉

(保定市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，河北 保定 071000)

多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量?jī)?yōu)化措施

王立波 秦志偉

(保定市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，河北 保定 071000)

為了在設(shè)計(jì)階段合理控制結(jié)構(gòu)的鋼筋用量，對(duì)保定市某工程項(xiàng)目進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)控制和施工圖設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化，提出了多高層混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)和解決辦法，以供參考。

混凝土結(jié)構(gòu)，含鋼量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化措施

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，尤其是房地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，一直以來都受到各方面的廣泛關(guān)注。從小的方面講，提高建筑結(jié)構(gòu)的“性價(jià)比”是為了迎合開發(fā)商降低成本、追求效益最大化的市場(chǎng)需求；從大的方面講，合理的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)符合國(guó)家大力提倡的“低碳、節(jié)能、省材、環(huán)保”的政策方針。所以根據(jù)項(xiàng)目需要，合理控制建筑結(jié)構(gòu)的工程成本，是一件利國(guó)利民、多方收益的大事情。

但是控制建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，不能以降低結(jié)構(gòu)的安全度為代價(jià)。如何在滿足建筑形體要求的前提下，合理控制建設(shè)成本，一直是建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位非常重視的問題。本文擬從混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量控制的角度，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

1 工程概況

福堡·秀域工程位于保定市高新區(qū)復(fù)興路北，南鄰保百超市，建設(shè)用地東西長(zhǎng)70 m，南北長(zhǎng)約120 m，總建筑面積5.41萬(wàn)m2，是集商業(yè)、辦公、公寓于一體的綜合性公共建筑。高層公寓布置在用地北側(cè)，多層辦公用房及商業(yè)用房呈回字形布置在高層公寓南側(cè)(見圖1)。

本工程地下3層，均為機(jī)械復(fù)式停車汽車庫(kù)，局部為設(shè)備機(jī)房；地下3層北半部分戰(zhàn)時(shí)為核6級(jí)甲類人防物資庫(kù)；地上分為主樓和裙房?jī)刹糠帧Ｖ鳂堑厣?8層，其中地上1層，2層為商業(yè)，其余為公寓。裙房地上最高處5層，其中地上1層，2層為商業(yè)，其余為公寓。主樓結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，房屋高度92.10 m；裙房結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，房屋高度23.80 m。抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g)，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

為了在設(shè)計(jì)階段合理控制結(jié)構(gòu)的鋼筋用量，我們對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)控制和施工圖設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了優(yōu)化。

2 整體概念設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置

建筑形體的規(guī)則性是影響結(jié)構(gòu)受力特征的主要因素之一，也是影響結(jié)構(gòu)鋼筋含量的主要因素。一般而言，平面和立面都比較規(guī)則的建筑，其主體結(jié)構(gòu)的鋼筋含量相對(duì)較少；而不規(guī)則建筑的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)往往會(huì)趨于不合理，結(jié)構(gòu)的鋼筋含量也相對(duì)較高。再者，合理的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)充分發(fā)揮各個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，盡量避免結(jié)構(gòu)配筋由最小配筋率控制。

經(jīng)過同建筑專業(yè)溝通，對(duì)主樓核心筒的位置和地下室梁系進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整主樓核心筒位置及剪力墻布置，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心趨于重合；建筑將走廊的輕質(zhì)填充墻由200 mm改為150 mm，結(jié)構(gòu)取消了走廊中的兩道次梁(見圖2，圖3)。

地下室頂板的初步設(shè)計(jì)方案如圖4所示，初設(shè)方案采用了十字交叉梁(250 mm×500 mm)，框架梁截面為(300×700)mm2，樓板厚度為160 mm。查看計(jì)算結(jié)果可知，地下室頂板的板配筋基本上是由最小配筋率控制的，而且框架梁的配筋率僅在1.4%左右。新方案僅在柱網(wǎng)中沿長(zhǎng)跨方向布置一道次梁(見圖5)，將樓板分割成為較大的雙向板，以充分發(fā)揮樓板的承載能力，使板配筋不再由最小配筋率控制。

2.2 結(jié)構(gòu)嵌固端的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)嵌固端的位置，影響到地下室的抗震等級(jí)和結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)區(qū)的范圍。根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)6.1.14條的要求，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時(shí)，地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍。初設(shè)方案將嵌固端取到筏板頂面，而從電算結(jié)果來看，本工程的側(cè)向剛度比滿足地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求，只要在構(gòu)造上按規(guī)范要求稍加處理即可。

因此，本工程的結(jié)構(gòu)嵌固部位取為地下室頂板。這樣可以減少主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力計(jì)算高度，對(duì)控制結(jié)構(gòu)整體位移和位移比更有利，并可減小剪力墻長(zhǎng)度或數(shù)量，減小框架柱和框架梁的截面尺寸。

2.3 框架柱材料強(qiáng)度的優(yōu)化

當(dāng)框架柱縱向鋼筋的配筋是由最小配筋率控制時(shí)，框架柱縱筋的配筋隨著柱截面尺寸的增大而增加，因此，當(dāng)框架柱的截面尺寸不受其他條件制約時(shí)，可適當(dāng)減小柱截面尺寸以降低柱縱筋用鋼量。初設(shè)方案梁柱箍筋采用的HPB300和HRB335級(jí)鋼筋，將其全部調(diào)整為HRB400級(jí)鋼筋，可以通過減小箍筋直徑和肢數(shù)，以實(shí)現(xiàn)降低箍筋用鋼量。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 主樓基礎(chǔ)梁截面的優(yōu)化

主樓基礎(chǔ)采用CFG樁復(fù)合地基上的梁板式筏基。基礎(chǔ)梁的優(yōu)化采取增加基礎(chǔ)梁寬度，減小梁高度的方式。利用基礎(chǔ)筏板厚度較大的特點(diǎn)，在不減小基礎(chǔ)梁截面面積和抗剪能力的情況下，可以節(jié)省混凝土用量。同時(shí)，基礎(chǔ)梁加寬后，減小了基礎(chǔ)底板的凈跨度，節(jié)省基礎(chǔ)梁寬度范圍內(nèi)基礎(chǔ)底板的鋼筋。

比如初設(shè)方案中，縱向基礎(chǔ)梁均為(1.2×2.5)m2，可改為(1.5×2.0)m2，其截面面積相同，而基礎(chǔ)梁的截面主要由抗剪承載力決定，這樣抗剪能力并沒有降低，但基礎(chǔ)底板厚度1.2 m范圍內(nèi)并沒有因梁寬度的加大而增加混凝土，因此，實(shí)際此基礎(chǔ)梁的混凝土用量會(huì)減少0.36 m3/m，主樓縱向基礎(chǔ)梁總長(zhǎng)212 m，則主樓縱向基礎(chǔ)梁可節(jié)約混凝土0.36×212=76.32 m3。

3.2 裙房基礎(chǔ)的優(yōu)化

裙房地基采用天然地基，基底標(biāo)高在第⑤層粉質(zhì)粘土處，未經(jīng)修正的地基承載力特征值fak=170 kPa。初設(shè)方案的基礎(chǔ)形式為梁板式筏形基礎(chǔ)。為了確定更合理的基礎(chǔ)方案，我們分別做了梁板式筏基和柱墩平板式筏基兩個(gè)方案，并對(duì)其鋼筋用量和總造價(jià)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 基礎(chǔ)混凝土鋼筋用量對(duì)比表

在JCCAD軟件中，基礎(chǔ)梁有多種計(jì)算模式，其中“按SATWE或TAT上部剛度進(jìn)行地基梁計(jì)算”是將上部結(jié)構(gòu)剛度用子結(jié)構(gòu)的方法凝聚到基礎(chǔ)上，該方法用于框架結(jié)構(gòu)非常理想。因?yàn)槿狗康慕Y(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，所以選用了“按SATWE或TAT上部剛度進(jìn)行地基梁計(jì)算”的地基梁計(jì)算模式。平板式筏基的計(jì)算采用樁筏、筏板有限元計(jì)算。

從表1可以看出，平板式筏基比梁板式筏基的鋼筋用量少37.26 t，總造價(jià)少27.1萬(wàn)元，而且平板式筏基更加便于施工。因此，裙房的基礎(chǔ)類型選用了柱墩平板式筏基。

4 地下室外擋土墻設(shè)計(jì)

地下室外擋土墻的荷載取值，應(yīng)考慮消防環(huán)路的位置，在非消防環(huán)路處不考慮消防車荷載；同時(shí)，地下車庫(kù)頂板覆土較厚時(shí)，對(duì)消防車荷載可以采用擴(kuò)散值[2]。可以考慮護(hù)坡樁的擋土作用，將地下室外墻的側(cè)向土壓力值適當(dāng)折減。當(dāng)基礎(chǔ)底板上回填材料頂面宜設(shè)置剛性地面時(shí)，可考慮剛性地面的作用，降低地下室外墻的計(jì)算高度，以減少擋土墻配筋。地下室為多層時(shí)，地下室外墻豎向鋼筋可以根據(jù)受力要求設(shè)置外側(cè)非貫通筋[3]。

5 地上結(jié)構(gòu)優(yōu)化要點(diǎn)

在結(jié)構(gòu)計(jì)算過程中，荷載輸入數(shù)據(jù)應(yīng)與實(shí)際相符，不要隨意加大，例如計(jì)算梁間荷載時(shí)，填充墻高度應(yīng)取層高減去梁高，而不應(yīng)按層高計(jì)算。在荷載取值合理的基礎(chǔ)上，地上結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括計(jì)算參數(shù)的合理取用和精細(xì)化施工圖設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

5.1 計(jì)算參數(shù)的合理取用

1)當(dāng)梁柱的截面尺寸都很大時(shí)，梁柱重疊部分可簡(jiǎn)化為剛域。

2)梁扭矩折減系數(shù)可取0.4～1.0：考慮樓板對(duì)主梁的約束作用，計(jì)算配筋時(shí)，對(duì)梁扭矩組合進(jìn)行折減。

3)墻柱基礎(chǔ)按《荷載規(guī)范》考慮活荷載折減，降低構(gòu)件內(nèi)力，減小配筋量。

4)混凝土保護(hù)層厚度影響構(gòu)件計(jì)算高度的大小，應(yīng)按規(guī)范取用混凝土保護(hù)層厚度。

5)框架梁端配筋考慮受壓鋼筋影響，以減小梁配筋。

6)考慮板對(duì)梁承載力的貢獻(xiàn)(T形梁)：當(dāng)板為梁上翼緣時(shí)，對(duì)于負(fù)彎矩(支座)，梁配筋可以考慮板內(nèi)鋼筋影響，對(duì)于正彎矩(跨中)按混凝土受壓考慮對(duì)梁配筋影響，減少鋼筋用量。

7)剪力墻采用組合截面配筋驗(yàn)算：將組合墻按整體截面計(jì)算，使邊緣構(gòu)件配筋更合理，總配筋量可以減少(PKPM程序中有此菜單)。

5.2 施工圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)在框架梁跨度較大時(shí)，梁上部通長(zhǎng)筋可采用小直徑鋼筋與受力主筋搭接。

2)樓面梁下部鋼筋根據(jù)受力需要可以部分鋼筋不伸入支座，但一般須滿足四個(gè)條件：

a.《抗震規(guī)范》6.3.6條2款規(guī)定，框架梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比值，除按計(jì)算確定外，一級(jí)不應(yīng)小于0.5，二、三級(jí)邊緣小于0.3。

b.支座處下部鋼筋伸入支座面積不應(yīng)小于計(jì)算結(jié)果。

c.不小于梁最小配筋率。

d.最下面一排鋼筋伸入支座。

3)次梁的跨中架立筋按跨度大小取用，詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.6條第2款。

4)當(dāng)梁寬較大時(shí)，梁側(cè)構(gòu)造抗裂鋼筋(腰筋)的配置可以放寬。

5)按彈性理論計(jì)算的雙向板，當(dāng)短邊跨度較大時(shí)(L1≥2.5 m)，為節(jié)省板底部鋼筋，可將板在兩個(gè)方向各分為三個(gè)板帶。兩邊板帶的寬度均為短邊跨度L1的1/4，其余則為中間板帶，如圖6所示。在中間板帶內(nèi)，應(yīng)按最大跨中計(jì)算正彎矩配筋，而在邊板帶內(nèi)的配筋各為其相應(yīng)中間板帶的一半，且每延米的鋼筋間距應(yīng)符合規(guī)范要求。此時(shí)，連續(xù)板的中間支座鋼筋可不分板帶均勻配置。

6)板類受彎構(gòu)件(不包括懸臂板)的受拉鋼筋，當(dāng)采用強(qiáng)度等級(jí)400 MPa，500 MPa的鋼筋時(shí)，其最小配筋率應(yīng)允許采用0.15和45ft/fy中的較大值。

7)控制板負(fù)筋伸入跨中的長(zhǎng)度，滿足構(gòu)造要求即可。

6 結(jié)語(yǔ)

多高層混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性是許多工程設(shè)計(jì)制勝的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)工程師要有強(qiáng)烈的工程造價(jià)控制意識(shí)，從結(jié)構(gòu)整體方案和結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造等方面精心設(shè)計(jì)，并大膽采用新工藝、新技術(shù)，把技術(shù)和經(jīng)濟(jì)結(jié)合起來。從宏觀上講，合理確定結(jié)構(gòu)的嵌固部位、抗震等級(jí)和結(jié)構(gòu)布置方案，能夠從整體上控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性；從微觀上講，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮每個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，盡量避免結(jié)構(gòu)配筋由最小配筋率控制。本工程在設(shè)計(jì)過程中通過對(duì)總體分析、細(xì)部構(gòu)造等多方面采取控制措施，最終在安全可靠的前提下，很大程度地提高了結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。這些措施可在其他類似項(xiàng)目中合理應(yīng)用。

[1] 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.建筑物抗震構(gòu)造詳圖(11G329-1)[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011:43.

[2] 全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2009(12):102-103.

[3] 中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.混凝土結(jié)構(gòu)施工圖(11G101-1) [M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2011:77.

Steel content optimizing measures of multi-high-rise steel reinforced concrete structure

WANG Li-bo QIN Zhi-wei

(BaodingBuildingDesignInstituteCo.,Ltd,Baoding071000,China)

In order to control the steel content at the structural design phase, the article carries out initial design of the engineering project in Baoding city, and optimizes the structural concept design, upper structure calculation parameter control and construction chart design and other aspects, and puts forward steel content optimizing design points and solutions of multi-high-rise steel reinforced concrete structure, with a view to provide some guidance.

concrete structure, steel content, structural design, optimal measure

1009-6825(2014)22-0032-03

2014-05-12

王立波(1971- )，男，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師； 秦志偉(1985- )，男，助理工程師

TU375

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