淺議混凝土結構含鋼量的優化設計措施

上海市建工設計研究院有限公司 上海 200050

1 減少用鋼量的基本方法

1.1 建模計算階段

合理的結構布置、正確的荷載取值與適當的計算參數選擇，是減少用鋼量的前提。在建筑方案設計的階段，結構設計人員就應及時參與，對于建筑形體及其構件布置規則性的要求，通過與相關專業的溝通，對建筑的平、立面布局以及承重構件的布置提出合理化建議，盡量避免或減少諸如凹凸不規則、樓板局部不連續、豎向不規則等造成用鋼量大幅上升的先天性缺陷[1]。在結構建模的階段，應嚴格按照建筑功能，確定各處恒、活荷載的取值，不應隨意放大（亦不可在無明確依據支持的情況下擅自折減），在保證結構安全的前提下，忠實于實際工況選擇正確的折減系數[2]。在結構模型調試的階段，對周期折減系數、梁彎矩放大系數、梁剛度放大系數、地震信息的相關參數等予以適當選擇、正確定義，可以合理控制結構剛度、避免因過度吸收地震力而造成的配筋增大。

對于高層結構，剪力墻的布置往往對工程造價有著較大的影響。應盡量保證剪力墻落地，避免框支[3]。均勻合理地布置墻體，使墻體鋼筋計算結果盡可能地趨近構造配筋，是結構設計師們不斷努力的方向。剪力墻的布置并不是越多越好，如果一味地提高結構的側向剛度，反而會吸引更大的地震作用力，且增加不必要的造價。在建筑物平面的中心區域往往存在較多的豎向交通井，如樓梯間、電梯井、設備管道井等，由于其位于平面內部，此處布置的墻體對結構的整體剛度幫助并不大，故一般不宜在井道周圍布置較多的剪力墻[4]。相較于內部的墻體，外圍墻體對提高結構整體剛度的效果更好，尤其是山墻部位的墻體。均勻、分散地把較多的剪力墻布置在結構平面的外圍，適當減少中間部位的剪力墻，可以更有效地發揮墻體的強度、提高結構抗扭性能，達到其利用率的最優化[5]。

剪力墻的分布鋼筋大多是依構造要求配置，其數量難以進一步降低，應從邊緣構件著手，減少其數量及配筋。如能盡可能多布置較為長肢的墻體，暗柱等邊緣構件的數量及其縱向配筋率均可進一步降低。

1.2 施工圖設計階段

在施工圖設計周期主要通過精細而合理的構造措施，來實現對用鋼量的控制。其經濟性可以較為直觀地看到，并且容易進行量化的比較。在工程實踐中，設計人員常使用如下一些構造措施（本文僅討論±0.00 m以上結構部分，地下結構不在本文論述范圍之內）。

（a）剪力墻構造配筋優化。墻體豎向分布筋與水平分布筋并不一定要采用相同的直徑，滿足構造要求及最小配筋率即可，《建筑抗震設計規范》（GB 5001—12010）（以下簡稱《抗規》）第6.4.4條規定：抗震墻豎向和橫向分布鋼筋的直徑，均不宜大于墻厚的1/10且不應小于8 mm；豎向鋼筋直徑不宜小于10 mm。對于軸壓比滿足《抗規》第6.4.5條相關規定的墻體，設置構造邊緣構件即可。邊緣構件的設計亦建議采用多種規格的鋼筋組合，例如：內墻非底部加強部位的400 mm×200 mm暗柱，抗震等級如為三級，按構造邊緣構件可配置4Φ12 mm+2Φ10 mm的縱筋。

（b）框架梁配筋優化。《抗規》第6.3.4條規定：沿梁全長頂面、底面的配筋，一、二級不應少于2Φ14 mm，且分別不應少于梁頂面、底面兩端縱向配筋中較大截面面積的1/4；三、四級不應少于2Φ12 mm。筆者認為，規范并未硬性要求框架梁上部鋼筋一律取支座的2 根角筋通長布置，亦無此必要。對于三、四級框架結構，當支座負筋直徑較大時，可采取分離式配筋，以較小直徑（2Φ12 mm或2Φ14 mm）的架立筋拉通，并連接支座角筋，可以有效地減少鋼筋用量。另外，《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（以下簡稱《混規》）第9.2.13條規定：梁的腹板高度不小于450 mm時，在梁的兩個側面應沿高度配置縱向構造鋼筋。每側縱向構造鋼筋的間距不宜大于200 mm，截面面積不應小于腹板截面面積的0.1%，但當梁寬較大時可適當放松。不少結構設計師在實踐中普遍設置Φ12 mm@200 mm的腰筋，并按梁的總高計算需要的腰筋根數。而實際上，扣除樓板厚度之后，規范所要求的腹板高度是小于梁高的，對于寬度為200 mm的梁，設置Φ10@200 mm的腰筋亦能滿足最小配筋面積的要求。

（c）樓板配筋優化。三級鋼筋強度設計值為360 N/mm2，而一級、二級鋼筋的強度設計值分別為270 N/mm2、300 N/mm2。選用三級鋼筋可顯著提高用鋼量的節約率，因其強度分別為一級、二級鋼筋的133.3%和120%，而價格僅僅約為前兩者的105%[6]。

接下來，我們以實際工程為例，看看上述設計措施的應用可以對減少用鋼量產生怎樣的實際效果，并從經濟性角度稍作探討。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

圖1 A工程標準層結構平面布置（優化前）

A工程位于上海市閔行區浦江鎮某地塊，為1 棟16 層保障性住宅。圖1為該工程的標準層結構平面布置。建筑設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，建筑物為剪力墻結構，高度為44.80 m（不含屋頂機房層）。原施工圖采用的構造原則為：框架梁上部鋼筋取支座的2 根角筋通長布置，腰筋統一采用Φ12 mm，樓板最小配筋為Φ8 mm@200 mm，且雙面雙向拉通。

2.2 優化方案

我們修改原始計算模型，對剪力墻在平面布置上進行了如下調整：增加外圍結構剛度，在山墻、平面凹角等部位增設剪力墻；適當減少內部區域的墻體分布；在與建筑專業達成一致的前提下，通過合理優化房間門、窗位置等方式，延長原有短肢剪力墻的墻肢長度，盡可能使其達到墻身厚度的8 倍以上；對于電梯井道周圍過多的剪力墻進行合理減少，代之以連梁加填充墻的形式完成圍護。調試模型，使周期、位移等各項控制指標均達到規范要求，生成新的配筋簡圖并依此完成施工圖。圖2為優化后的標準層結構平面布置。

圖2 A工程標準層結構平面布置（優化后）

在構造措施方面，對施工圖上的構造原則進行了如下優化（圖3、圖4）：暗柱如位于內墻非底部加強區，其截面尺寸為400 mm×200 mm的，原按6Φ12 mm配置的縱筋減小為4Φ12 mm+2Φ10 mm；當梁支座負筋≥Φ16 mm時，角筋不再通長布置，梁上部架立鋼筋改用2Φ12 mm拉通；腰筋全部由Φ12 mm@200 mm改為Φ10 mm@200 mm，且嚴格按照腹板高度計算所需腰筋的根數；板面鋼筋亦按最小配筋率改用分離式配筋，厚100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm樓板分布筋為Φ6 mm @180 mm、Φ6 mm@170 mm、Φ6 mm @150 mm、Φ8 mm @200 mm、Φ8 mm@200 mm。

圖3 部分暗柱配筋示例

2.3 用鋼量分析

分別計算優化前、后的用鋼量，結果見表1。

圖4 部分框架梁配筋示例

表1 優化前、后的用鋼量對比[8]

2.4 經濟性分析

表1中的數據為該住宅樓某一標準層的含鋼量計算結果。為確保相關數據具有可比性，計算中使用結構投影面積作為樓層面積。對比表1數據，不難看出：在采用了上述構造措施后，單方含鋼量有了較為明顯的下降，差值約為1.56 kg/m2。以某小區建筑面積150 000 m2、鋼材市場價格5 000 元/t計算，合計可節省約116.85 萬元的鋼材成本。

另外，選擇合適的鋼筋連接方式同樣能帶來較好的經濟性。對于分離式配筋的框架梁，工程實踐中多采用直螺紋套筒連接、閃光對接焊等工藝來實現支座負筋與較小直徑架立鋼筋的連接。以每棟樓17 層、每層40 處框架梁計，亦可節省下近萬元的工程費用。

3 結語

在深刻理解了規范條文的前提下，選擇了合理的構造措施，采用了多種途徑對結構進行優化，可以較為有效地減少結構的含鋼量，提高結構的經濟性、降低造價。