剪力墻住宅含鋼量優(yōu)化控制的量化方法

張 凱 靜

(中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢　430071)

隨著房地產(chǎn)行業(yè)不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)單位通過精細(xì)化設(shè)計(jì)提高自己在市場上的競爭力。大量的數(shù)據(jù)表明住宅類項(xiàng)目土建成本占建安成本的40%～60%，其成本的控制很嚴(yán)格。含鋼量作為最易控制成本的指標(biāo)，通常會被業(yè)主重點(diǎn)的關(guān)注。國內(nèi)許多地產(chǎn)公司與設(shè)計(jì)院簽訂的項(xiàng)目合同條款中會給出含鋼量的限值，從而達(dá)到控制成本的目的。

含鋼量又稱為單位面積鋼筋含量，以工程中鋼筋總量除以建筑面積得來。影響鋼筋用量的因素很多[1]：

1)自然條件：地震作用，基本風(fēng)壓，場地與地基，氣候條件；

2)建筑方案：建筑規(guī)則性，平面尺寸，層高和總高；

3)結(jié)構(gòu)方案：豎向構(gòu)件結(jié)構(gòu)布置，水平構(gòu)件布置。

表1為國內(nèi)知名房企對多、高層住宅標(biāo)準(zhǔn)層含鋼量的限值要求。

表1　國內(nèi)知名房企對多、高層住宅標(biāo)準(zhǔn)層含鋼量的限值要求　kg/m2

高層住宅類項(xiàng)目鋼筋的用量主要來自于剪力墻(柱)、梁、板。其中剪力墻(柱)占鋼筋總量的50%～60%，梁占鋼筋總量的25%～30%，板占鋼筋總量的15%～20%，剪力墻(柱)的影響比重最大。

合理的剪力墻數(shù)量可有效的降低含鋼量，如何確定合理的剪力墻數(shù)量，本文通過軸壓比和層間位移比的控制，明確剪力墻住宅合理的剪力墻數(shù)量，并量化其指標(biāo)。

1　軸壓比限值法

軸壓比限值法：以整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層平面的剪力墻作為研究對象，用規(guī)范中對剪力墻軸壓比的限值作為要求，進(jìn)行剪力墻最少數(shù)量的判定，此時(shí)統(tǒng)計(jì)出來的剪力墻數(shù)量是滿足規(guī)范下限的最少剪力墻數(shù)量。

高規(guī)[2]、抗規(guī)[3]中要求：重力荷載代表值作用下，一、二、三級剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過限值，如表2所示。

表2　一級～三級剪力墻肢的軸壓比限值

1.1　單位面積含墻率的定義與使用方法

單位面積含墻率=Aw/(NA)。

其中，Aw為標(biāo)準(zhǔn)層的剪力墻全面積；A為標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)全面積；N為某標(biāo)準(zhǔn)層以上樓層總數(shù)。

根據(jù)大量工程的統(tǒng)計(jì)，采用普通輕質(zhì)填充墻(墻質(zhì)量密度為1 t/m3～1.3 t/m3)的各類現(xiàn)澆鋼筋混凝土民用高層建筑結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量按總建筑面積平均計(jì)算，范圍如表3所示[4]。

表3　高層結(jié)構(gòu)的平均質(zhì)量范圍表

對于剪力墻住宅建筑，取某一層作為研究對象：

平均面積重力荷載代表值=1.2×(恒+0.5×活)=1.2×(14+0.5×2.0)=18 kN/m2。

18×N×A≤fc×Aw×μ。

單位面積含墻率最低限值見表4。

表4　單位面積含墻率最低限值　%

單位面積含墻率最低限值為滿足規(guī)范的最少剪力墻量，如果設(shè)計(jì)小于最低限值，則說明該設(shè)計(jì)不滿足規(guī)范要求，有安全隱患?？紤]建筑平面荷載的變化，功能布置的不規(guī)則，最低限值可適當(dāng)修正調(diào)整，但如果設(shè)計(jì)中，單位面積含墻率過高，超過規(guī)范最低值數(shù)倍，則說明該建筑平面和結(jié)構(gòu)布置仍有較大調(diào)整空間。

1.2　工程實(shí)例

本工程位于湖北省武漢市江夏區(qū)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地上31層，層高2.9 m，地下2層。抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震等級為三級，設(shè)計(jì)完成時(shí)間為2016年。

對于住宅建筑，一、二層經(jīng)常用作架空層或者商業(yè)服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)，因此以第三層作為第一個(gè)分析對象。高層建筑混凝土強(qiáng)度等級通常隨著樓層高度逐漸遞減，因此把混凝土強(qiáng)度等級發(fā)生變化的樓層作為第二個(gè)、第三個(gè)分析對象。

表5　混凝土強(qiáng)度等級變化情況(一)

5號，6號樓(31層)隨著樓層高度變化，混凝土強(qiáng)度等級變化見表5，優(yōu)化前后平面布置見圖1，圖2。

1)優(yōu)化后的第3層、第9層、第17層的單位面積含墻率比優(yōu)化前節(jié)省了28%。

2)優(yōu)化后的第3層、第9層、第17層的單位面積含墻率比規(guī)范的最低限值高出了12.5%，27.8%，71.4%。

軸壓比限值法作為剪力墻住宅項(xiàng)目優(yōu)化處理的方法，可以量化優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行方案比選?？紤]模板的周期使用和施工的進(jìn)度，豎向構(gòu)件沒有做進(jìn)一步的調(diào)整，但其計(jì)算結(jié)果說明該項(xiàng)目還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，優(yōu)化前后單位面積含墻率對比見表6。

表6　優(yōu)化前后面積含墻率對比

2　層間位移比法

層間位移比法：層間位移比是控制結(jié)構(gòu)整體側(cè)向剛度的重要指標(biāo)，與建筑物的平面形狀、高寬比、剪力墻布置密切相關(guān)，通過控制兩個(gè)方向的層間位移比，優(yōu)化剪力墻布置。

高規(guī)[2]、抗規(guī)[3]中要求：按彈性方法計(jì)算的風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比Δu/h宜符合表7規(guī)定(高度h≤150 m)。

表7　樓層層間最大水平位移與層高之比

住宅類的剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)沿結(jié)構(gòu)兩主軸方向均勻布置剪力墻，并宜使兩個(gè)方向的剛度接近。

剪力墻結(jié)構(gòu)需控制剪重比、剛重比、位移比、周期比、高寬比等指標(biāo)。在各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范的情況下，X，Y方向的位移比宜控制在1/1 000～1/1 300左右，位移比過大滿足不了規(guī)范要求，位移比過小說明結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向剛度過大，剪力墻過多。

工程實(shí)例：本工程位于湖北省荊門，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，地上25層，層高2.9 m，地下2層?？拐鹪O(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震等級為三級，設(shè)計(jì)完成時(shí)間為2017年。

9號樓(25層住宅)隨樓層高度變化混凝土強(qiáng)度變化見表8，優(yōu)化前后平面布置見圖3，圖4。

1)優(yōu)化后的第9層、第17層的單位面積含墻率比優(yōu)化前節(jié)省了21.3%。

表8　混凝土強(qiáng)度等級變化情況(二)

2)優(yōu)化后的第9層、第17層的單位面積含墻率比規(guī)范的最低限值高出了33.3%，128.6%。

3)X方向剛度偏大，該向的剪力墻應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

層間位移比法作為剪力墻住宅項(xiàng)目優(yōu)化處理的方法，可對項(xiàng)目的布置調(diào)整提出指導(dǎo)性意見。在滿足施工進(jìn)度的情況下，豎向構(gòu)件如果能分段設(shè)置，即可進(jìn)一步優(yōu)化布置，達(dá)到節(jié)能降耗的目的，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樓層位移比及單位面積含墻率對比見表9。

表9　結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后樓層位移比及單位面積含墻率對比

3　兩種方法的綜合應(yīng)用

軸壓比限值法可確定其最小含墻率，層間位移比法為下一步的結(jié)構(gòu)調(diào)整提供依據(jù)。兩種方法綜合應(yīng)用，將能更有效的、有目的性的、有方向性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4　結(jié)論與建議

剪力墻住宅結(jié)構(gòu)含鋼量受多方面因素影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員雖無法改變場地自然條件等因素，但可通過精細(xì)化的設(shè)計(jì)降低含鋼量。本文提出軸壓比限值法和層間位移比法，結(jié)合工程實(shí)例，論證兩個(gè)方法的適用性和有效性，量化了優(yōu)化的過程，并為下一步的設(shè)計(jì)提供可行性方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]張衛(wèi)成.剪力墻住宅含鋼量影響因素[J].華北地震科學(xué)，2016，7(34)：40-44.

[2]GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)[S].

[3]JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[4]傅學(xué)儀.實(shí)用高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.