剪力墻住宅含鋼量優化控制的量化方法

張 凱 靜

(中南建筑設計院股份有限公司，湖北 武漢　430071)

隨著房地產行業不斷發展，設計單位通過精細化設計提高自己在市場上的競爭力。大量的數據表明住宅類項目土建成本占建安成本的40%～60%，其成本的控制很嚴格。含鋼量作為最易控制成本的指標，通常會被業主重點的關注。國內許多地產公司與設計院簽訂的項目合同條款中會給出含鋼量的限值，從而達到控制成本的目的。

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，基本風壓，場地與地基，氣候條件；

2)建筑方案：建筑規則性，平面尺寸，層高和總高；

3)結構方案：豎向構件結構布置，水平構件布置。

表1為國內知名房企對多、高層住宅標準層含鋼量的限值要求。

表1　國內知名房企對多、高層住宅標準層含鋼量的限值要求　kg/m2

高層住宅類項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。

合理的剪力墻數量可有效的降低含鋼量，如何確定合理的剪力墻數量，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量，并量化其指標。

1　軸壓比限值法

軸壓比限值法：以整個標準層平面的剪力墻作為研究對象，用規范中對剪力墻軸壓比的限值作為要求，進行剪力墻最少數量的判定，此時統計出來的剪力墻數量是滿足規范下限的最少剪力墻數量。

高規[2]、抗規[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為標準層的剪力墻全面積；A為標準層的結構全面積；N為某標準層以上樓層總數。

根據大量工程的統計，采用普通輕質填充墻(墻質量密度為1 t/m3～1.3 t/m3)的各類現澆鋼筋混凝土民用高層建筑結構的總質量按總建筑面積平均計算，范圍如表3所示[4]。

表3　高層結構的平均質量范圍表

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范的最少剪力墻量，如果設計小于最低限值，則說明該設計不滿足規范要求，有安全隱患。考慮建筑平面荷載的變化，功能布置的不規則，最低限值可適當修正調整，但如果設計中，單位面積含墻率過高，超過規范最低值數倍，則說明該建筑平面和結構布置仍有較大調整空間。

1.2　工程實例

本工程位于湖北省武漢市江夏區，采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，地上31層，層高2.9 m，地下2層。抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，抗震等級為三級，設計完成時間為2016年。

對于住宅建筑，一、二層經常用作架空層或者商業服務網點，因此以第三層作為第一個分析對象。高層建筑混凝土強度等級通常隨著樓層高度逐漸遞減，因此把混凝土強度等級發生變化的樓層作為第二個、第三個分析對象。

表5　混凝土強度等級變化情況(一)

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

1)優化后的第3層、第9層、第17層的單位面積含墻率比優化前節省了28%。

2)優化后的第3層、第9層、第17層的單位面積含墻率比規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目優化處理的方法，可以量化優化前后的數據，并進行方案比選。考慮模板的周期使用和施工的進度，豎向構件沒有做進一步的調整，但其計算結果說明該項目還有進一步優化的空間，優化前后單位面積含墻率對比見表6。

表6　優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構整體側向剛度的重要指標，與建筑物的平面形狀、高寬比、剪力墻布置密切相關，通過控制兩個方向的層間位移比，優化剪力墻布置。

高規[2]、抗規[3]中要求：按彈性方法計算的風荷載或多遇地震標準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

住宅類的剪力墻結構應沿結構兩主軸方向均勻布置剪力墻，并宜使兩個方向的剛度接近。

剪力墻結構需控制剪重比、剛重比、位移比、周期比、高寬比等指標。在各項指標滿足規范的情況下，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范要求，位移比過小說明結構在某個方向剛度過大，剪力墻過多。

工程實例：本工程位于湖北省荊門，采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構，地上25層，層高2.9 m，地下2層。抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度，抗震等級為三級，設計完成時間為2017年。

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

1)優化后的第9層、第17層的單位面積含墻率比優化前節省了21.3%。

表8　混凝土強度等級變化情況(二)

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

3)X方向剛度偏大，該向的剪力墻應適當調整。

層間位移比法作為剪力墻住宅項目優化處理的方法，可對項目的布置調整提出指導性意見。在滿足施工進度的情況下，豎向構件如果能分段設置，即可進一步優化布置，達到節能降耗的目的，結構優化前后樓層位移比及單位面積含墻率對比見表9。

表9　結構優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構調整提供依據。兩種方法綜合應用，將能更有效的、有目的性的、有方向性的進行設計。

4　結論與建議

剪力墻住宅結構含鋼量受多方面因素影響，結構設計人員雖無法改變場地自然條件等因素，但可通過精細化的設計降低含鋼量。本文提出軸壓比限值法和層間位移比法，結合工程實例，論證兩個方法的適用性和有效性，量化了優化的過程，并為下一步的設計提供可行性方案。

參考文獻：

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

[2]GB 50011—2010,建筑抗震設計規范(2016年版)[S].

[3]JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[4]傅學儀.實用高層建筑結構設計[M].第2版.北京：中國建筑工業出版社，2010.