抗震區(qū)多層剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性對比

劉揚鋒

廈門中福元建筑設(shè)計研究院（361900）

抗震區(qū)多層剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性對比

劉揚鋒

廈門中福元建筑設(shè)計研究院（361900）

這里對現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》關(guān)于抗震區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造配筋規(guī)定進(jìn)行歸納對比，提出整樓設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件的多層剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)的觀點，并以廈門市某學(xué)校多層學(xué)生宿舍樓為例，按剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析比較，表明多層剪力墻結(jié)構(gòu)確實比框架結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)。

剪力墻；經(jīng)濟(jì)性；配筋率

0 引言

剪力墻結(jié)構(gòu)因其能提供足夠大的側(cè)向剛度被廣泛應(yīng)用于高層建筑中。多層建筑則很少采用剪力墻結(jié)構(gòu)而普遍采用框架結(jié)構(gòu)。一方面因為剪力墻施工難度大，另一方面因為剪力墻結(jié)構(gòu)不如框架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)。但在多層建筑中剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性相比框架結(jié)構(gòu)究竟如何?以下從《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》關(guān)于兩者結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造配筋要求進(jìn)行歸納對比來分析兩者在經(jīng)濟(jì)性方面孰優(yōu)孰劣。

首先對比豎向承重構(gòu)件（剪力墻與框架柱）的縱筋。多層建筑底層豎向構(gòu)件軸壓力并不大，剪力墻采用較薄墻厚即能將軸壓比控制在允許值設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件的軸壓比限值以下，剪力墻邊緣構(gòu)件可均按構(gòu)造邊緣構(gòu)件考慮。為便于比較，現(xiàn)作如下假設(shè)：對抗震區(qū)Ⅱ類場地的同一棟多層建筑，兩種結(jié)構(gòu)體系模型中豎向構(gòu)件的截面面積相同。剪力墻厚取為200 mm，按滿足一般剪力墻要求取各肢最小長度為1 700 mm,每肢單個邊緣構(gòu)件尺寸最大為200 mm×400 mm，這樣構(gòu)造邊緣構(gòu)件面積最大僅占墻總截面面積的1/2（在此按1/2計）。由《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的房屋抗震等級表可知，多層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻的抗震等級均比相同高度的框架結(jié)構(gòu)的普通框架抗震等級低一級（僅6度區(qū)稍有差異）。剪力墻和框架柱都僅按規(guī)范最小構(gòu)造配筋，鋼筋采用HRB400鋼材。將剪力墻縱筋（包括邊緣構(gòu)件縱筋和墻身豎向分布筋）換算成最低配筋率,并與框架柱縱向鋼筋最小配筋率按對應(yīng)的抗震等級列于表1。

由表1可以看出，設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件的剪力墻縱向鋼筋構(gòu)造最低配筋率比框架柱最小配筋率少0.3%以上，因此剪力墻的縱筋構(gòu)造更節(jié)省。

接著對比兩者的箍筋（剪力墻中含水平向鋼筋）。框架柱箍筋的加密區(qū)域長度（含節(jié)點核心區(qū)長度）和非加密區(qū)長度近似為各占柱高的一半。剪力墻的水平分布鋼筋構(gòu)造需伸至墻端錨固，其面積配筋率等于其體積配筋率。將邊緣構(gòu)件箍筋及墻身水平筋最后近似換算為總體積配筋率再與框架柱箍筋體積配箍率進(jìn)行比較，詳見表2。

由表2可知，配筋率除剪力墻底部加強(qiáng)區(qū)比框架柱稍大外，其余均小于框架柱，所以剪力墻箍筋（含水平筋）最低構(gòu)造總用量仍比框架柱少。

最后來定性比較框架梁（樓板、樓梯等構(gòu)件在兩種結(jié)構(gòu)體系中造價基本一樣，在此不多論述）。在剪力墻結(jié)構(gòu)中框架梁抗震等級同剪力墻，從而其抗震構(gòu)造亦比同高度框架結(jié)構(gòu)中框架梁的抗震等級低一級。同時剪力墻的設(shè)置大幅減小了墻肢面內(nèi)相交的框梁的跨度及梁上總荷載，使框梁的計算配筋大幅減小，這也是體現(xiàn)剪力墻更具有經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵因素。

表1 剪力墻縱筋換算成最低配筋率與框架柱縱向鋼筋最小配筋率對應(yīng)的抗震等級

表2 配筋率與框架柱箍筋體積配箍率比較

綜上所述，多層剪力墻結(jié)構(gòu)完全可能比框架結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)。實踐證明，以廈門某學(xué)校學(xué)生宿舍樓為例，對同一單元分別采用剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計對比來分析多層剪力墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效果。

1 工程簡介

該學(xué)校新建的兩棟樓為小學(xué)生和中學(xué)生的宿舍樓。建筑總高度20.1 m，共6層，層高3.3 m，室內(nèi)外高差0.3 m。建筑所在地50年一遇基本風(fēng)壓w0= 0.8 kN/m2；抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15 g，地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類。宿舍樓按其建筑高度在該地區(qū)不適用異形柱框架結(jié)構(gòu)。若采用異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級，僅構(gòu)造用鋼量就明顯增加，顯然不經(jīng)濟(jì)。如采用普通框架結(jié)構(gòu)，凸出墻面的框架柱對宿舍床位的布置或衛(wèi)生間的使用影響很大，而采用剪力墻結(jié)構(gòu)則能很好解決以上問題。選取其中一個“L”形單元分別采用框架結(jié)構(gòu)模型和剪力墻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。

2 分析對比

框架結(jié)構(gòu)模型的平面布置如圖1。其框架的抗震等級為二級，縱橫兩個方向框架基本拉通且跨度均勻，但“L”形建筑的兩肢橫向上存在多榀單跨框架，對抗震較為不利。

圖1 框架結(jié)構(gòu)模型平面布置

剪力墻結(jié)構(gòu)模型的平面布置如圖2。剪力墻的抗震等級為三級，剪力墻在平面上的布置基本上與框架結(jié)構(gòu)模型中框架柱的柱位一致。兩模型豎向構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級均相同：1～3層為C35，3層以上為C30。梁、板混凝土強(qiáng)度等級均為C30。縱向受力鋼筋、分布筋和箍筋均采用HRB400鋼筋。

圖2 剪力墻結(jié)構(gòu)模型平面布置

經(jīng)計算分析，兩模型在水平地震作用下的位移角均剛好能滿足規(guī)范要求。在其他控制指標(biāo)也均滿足規(guī)范要求的條件下，對兩模型的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土用量和鋼材用量進(jìn)行統(tǒng)計，將結(jié)果分別列于表3和表4。

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土用量表（單位：m3）

表4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋用量表（單位：kg/m2）

由表3、表4可知，墻肢按一般剪力墻考慮并將軸壓比控制在0.3以內(nèi)的剪力墻模型相比框架結(jié)構(gòu)，雖然混凝土用量增加了58.4 m3，但其剪力墻用鋼量仍比框架結(jié)構(gòu)的框架柱用鋼量少0.75 kg/m2，框梁用鋼量也比與框架結(jié)構(gòu)減少多達(dá)7.65 kg/m2，其鋼筋總用量省34.19噸。混凝土價格約按350元/ m3，鋼材價格約按2 500元/t計，則單從結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料上看將節(jié)省(34.19×2 500-58.4×350)=65 035元。同時剪力墻比框架柱多出的混凝土造價，一部分可由因剪力墻替代而減少的磚隔墻、構(gòu)造柱的造價相抵扣，其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢更加明顯。由此可見，本工程上部結(jié)構(gòu)采用剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)語

有時剪力墻結(jié)構(gòu)比框架結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)的根本性原因，并不在于剪力墻本身材料的節(jié)省，而在于由剪力墻所引起的相關(guān)構(gòu)件材料的減少。像上述實例中，框梁材料用量驟減是令該結(jié)構(gòu)的更經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵因素。因此在合理布置剪力墻的同時綜合考慮相關(guān)構(gòu)件的設(shè)置才能達(dá)到更好的效果。文章可為抗震區(qū)多層建筑的結(jié)構(gòu)選型提供方向指引。

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

[2]JGJ149-2006，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].