淺析型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

翁熙

(福建福大建筑設(shè)計有限公司 福建福州 350002)

淺析型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

翁熙

(福建福大建筑設(shè)計有限公司 福建福州 350002)

通過結(jié)合實際工程，描述了對型鋼混凝土框架－核心筒結(jié)構(gòu)的型鋼柱截面、連梁高度及梁柱節(jié)點施工的設(shè)計優(yōu)化，并闡述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)準(zhǔn)則。

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化;框架－核心筒;型鋼混凝土

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隨著社會的發(fā)展，節(jié)能減排、資源綜合利用已經(jīng)被提高到一個新的日常議程，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化亦是一樣。對工程的優(yōu)化應(yīng)在“安全、經(jīng)濟、美觀適用與方便施工”的準(zhǔn)則下進行。以下，本人結(jié)合一個實際工程案例，對上述的觀點進行闡述。

1 工程基本概況

“某工程廣場”，該項目位于福州馬尾自貿(mào)區(qū)內(nèi)，在馬尾區(qū)綜合體育館東側(cè)，緊臨東江濱公園，是一個集商業(yè)與辦公為一體的綜合性建筑群(圖1)。總建筑面積77763 m2。其中，地上建筑面積53922 m2(分ABCD四棟)，地下兩層建筑面積23841 m2，上部結(jié)構(gòu)由兩個主塔樓(A、C座)及與之分別相臨的兩個裙樓(B、D座)組成。本工程屬丙類建筑，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度七度，設(shè)計基本地震加速度值0.10g，水平地震影響系數(shù)最大值0.08，場地土類別Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第三組，特征周期為0.65s。兩個主塔樓(A、C座)均為鋼骨砼框架－核心筒結(jié)構(gòu)(21F)，結(jié)構(gòu)總高度99.80m，除底層5.3m，其余各層均為4.75m，結(jié)構(gòu)高寬比3.73，核心筒高寬比為10.5，塔樓的型鋼混凝土框架和筒體抗震等級均為二級，兩個主塔樓的結(jié)構(gòu)布置相近，其結(jié)構(gòu)典型標(biāo)準(zhǔn)層布置如(圖2)。

圖1 某工程廣場總平圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的三個方面優(yōu)化

2.1 關(guān)于柱截面的設(shè)計與優(yōu)化

本工程初期考慮采用的是鋼筋砼框架－核心筒結(jié)構(gòu)，在電算參數(shù)滿足規(guī)范要求的情況下，一層位于A、D軸上的砼柱截面為1200×1200(共10根)，其余位于1、6軸上的砼邊柱截面為1400×1400(共4根)，由于AB軸及CD軸間距僅有8.8m，在考慮柱截面寬度及建筑面層做法對柱網(wǎng)凈寬的影響后，柱網(wǎng)所剩的凈寬勢必小于7.0m，而單個標(biāo)準(zhǔn)車位最小凈寬要求2.4m，安排3個車位至少7.2m，經(jīng)估算，若按此柱截面布置則地下室車位將減少17個，即減少340萬的車位銷售額(單車位按20萬考慮)，并且較大的柱截面也會影響到上部幾層商業(yè)的空間使用。故在考慮到建筑專業(yè)方面的各項要求后，決定采用型鋼砼柱(SRC柱)控制軸壓比，以減小柱截面。經(jīng)試算，在在上部塔樓的1～10F(含過渡層)及地下室設(shè)置型鋼混凝土框架柱(十字形型鋼30mm厚)，其余部位設(shè)置普通混凝土框架柱，這樣，原先一層1200×1200的柱截面減小到1000×1000，原先1400×1400的柱截面減小到1200×1200，柱截面分別為原先CR柱的70%及73%，框架梁仍采用普通鋼筋混凝土梁，該結(jié)構(gòu)方案不僅滿足了建筑經(jīng)濟性及使用上的要求，而且又增加了結(jié)構(gòu)的承載力及延性，通過了施工圖的審查。

但圖紙經(jīng)過甲方專家及施工單位的核算與會審之后，問題就產(chǎn)生了，首先是甲方認(rèn)為型鋼綜合造價較高，建議縮減設(shè)置型鋼層的層數(shù)，以節(jié)省造價;其次是施工方提出柱型鋼的重量較大，若按原設(shè)計30mm厚的十字形型鋼，則至少會多布置1臺塔吊以滿足吊裝半徑的要求，這將會影響到現(xiàn)有的工期及甲方的工程造價，建議縮減柱型鋼的厚度。根據(jù)甲方提供的概預(yù)算資料及各方的咨詢，我們了解到鋼材材料的單價為3500元左右，但其綜合造價卻達到9500元左右(即為材料單價的2.7倍)，綜合單價之高也超乎之前的估算。根據(jù)以上情況，我們就從縮減布置型鋼層數(shù)量及減薄型鋼厚度的方向?qū)υO(shè)計進行優(yōu)化，經(jīng)過多次的試算及比較，最終增加了高標(biāo)號混凝土豎向布置的樓層數(shù)，把混凝土強度等級C50的柱墻從原來的1～4F調(diào)整為1～8F(以上各層標(biāo)號逐層均勻遞減)，并根據(jù)減薄型鋼后具體柱子的軸壓比，適當(dāng)?shù)丶哟罅藗€別柱的截面。雖然該項的優(yōu)化對施工方梁柱節(jié)點的施工提出了更多更高的要求，以及地下室局部車位的調(diào)整(配合建筑專業(yè)把部分車位調(diào)整為小微車位)，但卻有效的把設(shè)置型鋼柱的層數(shù)減少了4層(即僅1～6F設(shè)置型鋼柱)，并把柱型鋼的厚度從原設(shè)計的30mm減薄至20mm，合理地解決了甲方及施工方提出的問題。經(jīng)初步估算，該項的設(shè)計優(yōu)化為甲方節(jié)省了約500萬元的工程造價。

圖2 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

2.2 關(guān)于核心筒間連梁高度的優(yōu)化

原建筑在核心筒布置開洞的LL1處(圖2)僅作為建筑的通道洞口使用，對梁高并無具體的要求。設(shè)計初期，從結(jié)構(gòu)角度看，該棟框架－核心筒連接框架柱與核心筒的框架梁由于建筑的要求梁高被限制在700mm，而層高(4750mm)又相對較高，故由框架提供的抗側(cè)力自然較小(尤其是X方向)，而核心筒承擔(dān)的抗側(cè)力自然就較大，經(jīng)試算，若采取削弱核心筒連梁的方法來增大框架所承受的抗側(cè)力接近規(guī)范建議值0.2V0要求的話，則LL1的高度就要做得較小，但筒體畢竟是三維受力形態(tài)的立體抗側(cè)力構(gòu)件，當(dāng)連接核心筒間的連梁被削弱到一定程度后，結(jié)構(gòu)的體系就會從整體三維的受力形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娑S構(gòu)件的受力形態(tài)，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體三維剛度的喪失，且會對結(jié)構(gòu)體系的各項參數(shù)產(chǎn)生不利的影響。最后，我們決定采取加強核心筒剛度的方法來保證結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，所以就僅預(yù)留了2200mm的洞口高度(即LL1高度為4750－2200=2550mm)，水電設(shè)備考慮在LL1的預(yù)留洞中進行，且與各專業(yè)配合并無問題。但甲方認(rèn)為4.75m的層高僅僅開2200mm的門洞，且在考慮了裝修后，門洞的高度就更小，與層高不配套，顯得不是很大氣，建議考慮實際使用減小核心筒通道內(nèi)的LL1梁高。之前我們設(shè)計僅僅從結(jié)構(gòu)角度去考慮問題，而忽視了“美觀適用”的原則，這是原設(shè)計欠考慮到的問題。現(xiàn)在問題產(chǎn)生了就要嘗試著去調(diào)整。最后，經(jīng)過多次的逼近試算，在力求保證筒體結(jié)構(gòu)能三維受力且不對原設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)有較大影響的同時，把筒體通道內(nèi)的LL1的梁高調(diào)整到了1950mm(即較原先減小600，門洞高度變?yōu)?800mm)，該項的優(yōu)化充分體現(xiàn)了“美觀適用”的優(yōu)化準(zhǔn)則。

2.3 關(guān)于型鋼混凝土梁柱節(jié)點的優(yōu)化

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的設(shè)計及施工是該工程的重點之一，只有在設(shè)計時充分考慮到施工的情況，才能順利地完成梁柱節(jié)點的施工，從而保證工程的施工質(zhì)量。本工程系采用增設(shè)的工字鋼牛腿來處理梁縱筋與型鋼柱翼緣相交的問題(做法詳《04SG523》③“型鋼混凝土柱的梁 －柱節(jié)點”及《12SG904－1》④相關(guān)部分內(nèi)容)，在設(shè)計過程中，我們主要針對對梁柱節(jié)點及其連接的施工進行了優(yōu)化:

圖3 SRC柱1配筋圖

(1)本工程SRC柱配筋如(圖3)(以1000x1000的SRC柱為例)，考慮到在梁柱節(jié)點處箍筋層數(shù)及通過的梁縱筋均較多、柱箍筋還需切斷后穿過鋼牛腿的腹板進行焊接閉合以及柱角部和鋼牛腿腹板處混凝土較難澆筑密實等實際困難，所以，在實際施工中采用了以下的方法來解決上述的問題:

1)取消了原先設(shè)置在梁柱節(jié)點處柱內(nèi)部的兩道井字矩形箍筋，僅保留了型鋼柱外圍的矩形箍及菱形箍，但將型鋼柱外圍的矩形箍直徑加大到Φ16、菱形箍直徑加大到Φ14，這樣，就在保證節(jié)點配箍率的同時減少了箍筋的層數(shù)。

2)取消了用來連接梁縱筋鋼牛腿的腹板部分，僅保留鋼牛腿的翼緣板來連接梁縱筋，這樣柱節(jié)點內(nèi)的柱箍筋就能直接穿過鋼牛腿的原先的腹板區(qū)域進行施工，也方便了梁柱節(jié)點混凝土的澆搗。

圖4 連接鋼筋肋板大樣圖

(2)梁縱筋與節(jié)點的連接。本工程與型鋼柱翼緣相交的梁縱筋通過增設(shè)的工字鋼牛腿來連接，而與型鋼柱腹板相交的梁縱筋則可穿過設(shè)置在型鋼柱腹板上的貫穿孔布置，但是腹板過多的開孔勢必帶來開洞率的提高，當(dāng)型鋼柱腹板的截面損失率大于25%時，就應(yīng)對腹板進行補強。由于本工程梁縱筋較多，而對型鋼柱腹板過多的開洞會造成腹板的開洞率偏大，雖然可以對型鋼腹板進行補強加固，但是難免會引起應(yīng)力的集中和傳遞的不直接，也有違“強柱弱梁”的原則(特別本工程是為解決軸壓比而設(shè)置的柱型鋼)，故本工程允許將部分梁縱筋焊接在“連接鋼筋肋板”上(圖4)，連接要求如圖所示，以減小對型鋼柱腹板的開洞削弱，但設(shè)計也對梁面筋的通過率提出了相關(guān)要求:a、當(dāng)為端部梁情況時，保證梁面一排筋有不少于50%的鋼筋(相對于與型鋼柱腹板相交的一排筋)能穿過型鋼柱腹板錨固(角筋優(yōu)先穿過);b、當(dāng)為連續(xù)梁情況時，保證梁面的一排筋均能貫穿型鋼柱腹板連通設(shè)置(相對于與型鋼柱腹板相交的一排筋)。最終具體的梁鋼筋排布方式由施工單位配合鋼結(jié)構(gòu)公司，根據(jù)以上所述原則及相關(guān)規(guī)范圖集與進行進一步的深化設(shè)計。

3 結(jié)語

由于建筑在功能使用及布置上要求，決定了本工程的結(jié)構(gòu)形式為“框架－核心筒”，所以該結(jié)構(gòu)在體系層面上可優(yōu)化的余地不大。不過從本案例可見，僅僅是基于構(gòu)件層面上的設(shè)計優(yōu)化就能為工程節(jié)約不菲的投資資金，獲得最佳的使用功能，并為工程的順利進行奠定了堅實的基礎(chǔ)，充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的“安全、經(jīng)濟、美觀適用與方便施工”的準(zhǔn)則。

“某工程廣場”于2014年1月設(shè)計，同年8月份開始施工，經(jīng)過與施工單位的密切配合，于2015年8月順利封頂。

［1］GB 50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］04SG523，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造［S］.

［4］12SG904－1，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)施工鋼筋排布規(guī)則與構(gòu)造詳圖［S］.

Analysis on the design optim ization of the steel reinforced concrete structure

WENGXi
(Fujian Fuzhou University Architectural Design CO.LTD，F(xiàn)uzhou 350002)

Combined with practical engineering，this paper describes the construction optimization designs of SRC frame－corewall structure of the section of the SRC－column、the height of coupling beam and the construction of the beam－column joint.It also describes related criteria of the structure optimization.

Structural design optimization;Frame－corewall structure;Steel reinforced concrete

TU973+.3

A

1004－6135(2015)11－0043－03

翁熙(1980－ )，男，工程師。

2015－09－08

翁 熙(1980－ )，男，本科，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計及研究方面的工作。