新區(qū)劃圖雙參數(shù)調(diào)整對剪力墻結(jié)構(gòu)土建成本的影響1

張 波 陳學良 楊曉寧 邱利軍 李宗超

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）河北建筑工程學院，土木工程學院，河北張家口 075000

3）中土大地國際建筑設(shè)計有限公司，石家莊 050000

引言

歷次破壞性地震的相關(guān)統(tǒng)計分析論證了房屋及建筑物倒塌是造成人員傷亡的主要原因，因此，根據(jù)地震區(qū)劃圖對工程結(jié)構(gòu)進行合理的抗震設(shè)防是必要的。2016 年實施的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2016）相對于2001 年版區(qū)劃圖（國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004）變化很大，其以抗倒塌為編圖的基本原則，采用雙參數(shù)調(diào)整原則，提出“四級地震作用”，并取消不設(shè)防區(qū)，全國設(shè)防參數(shù)整體提高。抗震設(shè)防烈度、地震動峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期和反應(yīng)譜平臺值等地震動參數(shù)的改變均會影響工程結(jié)構(gòu)的土建成本。

目前關(guān)于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防研究以設(shè)防烈度的影響居多。韓淼等（2009）和張海等（2016）分析比較了不同抗震設(shè)防烈度下6 層框架結(jié)構(gòu)土建成本，發(fā)現(xiàn)提高抗震設(shè)防烈度會增加土建成本。韓淼等（2010b）和談一評等（2010）均研究了10 層框架?剪力墻結(jié)構(gòu)在不同抗震設(shè)防烈度下，土建造價的異同；韓淼等（2010a）和孟祥良等（2018）研究表明剪力墻結(jié)構(gòu)隨著抗震設(shè)防烈度的提高，其相應(yīng)的土建成本會增加；袁麗等(2013，2014)分別研究了磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)農(nóng)居在不同抗震設(shè)防烈度下的工程造價，并分析了提高抗震設(shè)防烈度造成增加土建成本的原因。而場地類別改變對工程造價影響的研究較少。場地條件的改變不僅影響地震動加速度反應(yīng)譜特征周期，也會影響地震動峰值加速度，進而影響反應(yīng)譜平臺值（李小軍等，2001；呂悅軍，2008；李小軍，2013；劉曉東，2015），這必定對工程結(jié)構(gòu)的土建成本產(chǎn)生影響。張海等（2016）對比分析了改變場地類別對框架結(jié)構(gòu)土建成本的影響。目前，剪力墻結(jié)構(gòu)因剛度大、抗震能力強，成為高層住宅小區(qū)常用的結(jié)構(gòu)形式，這是本文研究新區(qū)劃圖雙參數(shù)調(diào)整對剪力墻結(jié)構(gòu)土建成本影響的出發(fā)點。本文選取典型的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，分別研究在抗震設(shè)防烈度和場地類別單一地震動參數(shù)改變時的土建成本改變量，從而為其在新一代區(qū)劃圖下的工程概預算提供借鑒，有助于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2016）的推廣應(yīng)用。

1 工程概況

某工程為地上12 層、地下1 層的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，位于唐山市樂亭縣。工程實際抗震設(shè)防烈度為7 度；設(shè)計基本地震加速度為0.15g；設(shè)計地震分組為第三組；場地類別為Ⅱ類，非液化場地，場地特征周期Tg為0.45 s；基本風壓為0.4 kN/m2；地面粗糙度為B 類；基本雪壓為0.4 kN/m2；結(jié)構(gòu)安全等級為二級；建筑抗震設(shè)防分類為丙類；結(jié)構(gòu)環(huán)境類別：地下室和地上梁板墻柱外側(cè)為二b 類，地上梁板墻柱內(nèi)側(cè)為一類，地下室梁板墻柱內(nèi)側(cè)為二a 類。建筑總高度33.6 m，其中地下室層高為3 m，標準層層高為2.8 m，13 層層高為2.2 m（機房層）。各種工況下的樓板厚度均相同，其中地下室頂板厚180 mm，標準層板厚100 、130 mm，12 層及機房層頂板厚120 mm。混凝土強度等級為C30，鋼筋級別為HRB400。在分析抗震設(shè)防烈度和場地類別改變對土建成本的影響時，不包括地基基礎(chǔ)的成本變化。

利用PKPM 軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，結(jié)構(gòu)建模、荷載輸入、內(nèi)力計算、內(nèi)力組合、截面設(shè)計及構(gòu)造設(shè)計等均在規(guī)范（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等, 2010，2011；中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011）允許范圍內(nèi)。在計算分析過程中，嚴格控制某些限制條件（如層間位移角、周期比、層剛度比、剛重比、剪重比、軸壓比等），使其更接近規(guī)范限值要求。標準層平面布置如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig. 1 The plan layout of structure

2 不同抗震設(shè)防烈度下土建成本計算分析

工程結(jié)構(gòu)造價主要包括土建、設(shè)備和裝修成本。通常隨著工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度的提高，其所承受的水平地震作用相應(yīng)地提高，進而導致土建成本增加，但對設(shè)備和裝修成本的影響較小。因此，改變單一地震動參數(shù)時僅考慮土建成本的變化，此時土建成本的增加主要是鋼筋和混凝土的材料使用成本。僅考慮不同抗震設(shè)防烈度下材料的使用量和使用成本，并比較提高一個設(shè)防烈度時土建成本的增加值以及增加比例。

不同抗震設(shè)防烈度下的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級及抗震構(gòu)造措施抗震等級（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）如表1 所示。不同抗震設(shè)防烈度下的結(jié)構(gòu)基本自振周期根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.17 條（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011）的規(guī)定，并由SATWE 結(jié)果文件（WZQ.OUT）得到。繪制II 類場地時，不同抗震設(shè)防烈度下的多遇地震動地震影響系數(shù)曲線如圖2 所示。

表1 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級及抗震構(gòu)造措施的抗震等級(Ⅱ類)Table 1 Seismic grade of shear wall structure and seismic structural measures (site II)

在不同抗震設(shè)防烈度下對所建立的模型進行反復調(diào)試、計算和配筋。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件選取及截面尺寸的確定均按規(guī)范最小允許值確定，從而得到不同抗震設(shè)防烈度下的抗震墻墻厚，如表2所示。

表2 不同設(shè)防烈度下的抗震墻墻厚(Ⅱ類)Table 2 The thickness of shear walls with different design intensity(site II)

利用SATWE 模塊分析計算剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)防烈度分別為6 度（0.05g）、7 度（0.1g）、7 度（0.15g）、8 度（0.20g）和8 度（0.30g）時的鋼筋和混凝土用量，按現(xiàn)時市場定額對材料成本進行分析。鋼筋價格為5 400 元/t，C30 混凝土價格為580 元/m3，材料取廢系數(shù)按1.3 取值。計算得到剪力墻結(jié)構(gòu)單位土建成本增加值及增加比例，如表3 所示。

由表3 可知，抗震設(shè)防烈度由6 度（0.05g）提高至8 度（0.3g）時，剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級提高，通過增加抗震墻厚度和增大配筋率可提高其抗震能力。整體上看，隨著設(shè)防烈度的提高，剪力墻結(jié)構(gòu)單位土建成本增大。當設(shè)防烈度為7 度（0.15g）以下，抗震設(shè)防烈度每提高1 度，單位土建成本增加值為50 元以下；當設(shè)防烈度由7 度（0.15g）提高至8 度（0.2g）、由8 度（0.2g）提高至8 度（0.3g）時，單位土建成本增加值已達80 元以上，增幅較大。在低烈度區(qū)，抗震設(shè)防烈度每提高1 度，單位土建成本增加比例較小，基本上在15%以內(nèi)；但在高烈度區(qū)設(shè)防烈度由7 度（0.15g）提高至8 度（0.2g）和由8 度(0.2g)提高至8度（0.3g）時，單位土建成本增加比例已達19%以上，說明此時通過改變抗震墻厚度和增大配筋率提高結(jié)構(gòu)抗震能力無法達到“最經(jīng)濟”。由圖2 可知，隨著抗震設(shè)防烈度的增大，剪力墻結(jié)構(gòu)基本振型所對應(yīng)的地震影響系數(shù)逐步增大，所受的地震作用增大，故抗震墻厚度增加，抗震承載力提高，土建成本增加。加大抗震墻厚度雖會導致結(jié)構(gòu)的剛度增大，抗震能力提高，但會導致結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加，進一步導致結(jié)構(gòu)水平地震作用增大。

圖2 不同抗震設(shè)防烈度的地震影響系數(shù)曲線(Ⅱ類)Fig. 2 Seismic influence coefficient curve with different design intensity (site II)

表3 不同設(shè)防烈度下主要建材用量和成本分析(Ⅱ類)Table 3 The construction cost and comparison of different design intensity(site Ⅱ)

3 不同場地類別下土建成本計算分析

考慮場地類別對土建成本的影響時，首先考慮場地類別對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級及抗震構(gòu)造措施抗震等級的影響。本工程抗震設(shè)防分類為丙類，場地類別為Ⅱ類（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008），根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.1.2 條（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）查詢Ⅱ類場地剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級和抗震構(gòu)造措施抗震等級，并根據(jù)第3.3.2 條和3.3.3 條進行調(diào)整，結(jié)果表4 所示。不同場地類別下結(jié)構(gòu)基本自振周期依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.17 條（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011）的規(guī)定，并由SATWE 結(jié)果文件(WZQ.OUT)得到。繪制抗震設(shè)防烈度為7 度（0.15g）時,不同場地類別下多遇地震動地震影響系數(shù)曲線，如圖3 所示。

表4 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級及抗震構(gòu)造措施抗震等級（0.15 g 區(qū)）Table 4 Seismic grade of shear wall structure and seismic structural measures (zone 0.15 g)

在不同場地類別下對所建立的模型進行反復調(diào)試、計算和配筋。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，抗震墻截面尺寸均按規(guī)范最小允許值確定，得到不同場地類別下抗震墻厚度，如表5 所示。

表5 不同場地類別下抗震墻墻厚(0.15 g 區(qū))Table 5 The thickness of shear walls in different sites(zone 0.15 g)

場地條件對土建成本的影響還表現(xiàn)在其對地震動的影響，即場地類別影響地震動參數(shù)，進一步影響地震作用。場地類別的改變不僅影響地震動加速度反應(yīng)譜特征周期，還影響反應(yīng)譜平臺值和地震動峰值加速度。新區(qū)劃圖考慮到這一點，給出了反應(yīng)譜特征周期按場地類別的調(diào)整值，并指出非Ⅱ類場地的地震動峰值加速度和水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)按照Ⅱ類場地予以修正，且給出調(diào)整系數(shù)。查閱《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2016）和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材（高孟潭，2015）得到場地類別分別為Ⅰ0類、Ⅰ1類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類時，地震動加速度反應(yīng)譜特征周期、基本和多遇地震動峰值加速度及水平地震影響系數(shù)最大值，如表6 所示。

利用PKPM 的SATWE 模塊分析計算時，不同場地類別下地震動參數(shù)取值按表6 選取。分析計算時，通過調(diào)整水平地震影響系數(shù)最大值實現(xiàn)不同場地類別分區(qū)峰值加速度的調(diào)整。分別計算相同結(jié)構(gòu)在不同場地類別下的主要建材用量，按現(xiàn)時市場定額對材料成本進行分析。鋼筋價格為5 400 元/t，C30 混凝土價格為580 元/m3，且材料取廢系數(shù)按1.3 取值。當場地類別等級提高時，土建成本增加值及增加比例計算結(jié)果如表7 所示。

表6 反應(yīng)譜特征周期、地震動峰值加速度和水平地震影響系數(shù)最大值（0.15 g 區(qū)）Table 6 The characteristic cycle of response spectrum, ground motion peak acceleration and platform value of response spectrum (zone 0.15 g)

由表7 可知，場地類別改變對土建成本的影響不可忽視。場地類別由Ⅰ0類提高至Ⅳ類，剪力墻結(jié)構(gòu)受地震作用影響增強，通過增大抗震墻截面尺寸和配筋率可提高其抗震能力。整體上看，隨著場地類別的提高，對剪力墻結(jié)構(gòu)抗震越來越不利，導致單位土建成本增大。由Ⅰ0類提高至Ⅰ1類、由Ⅲ類提高至Ⅳ類，單位土建成本增幅分別為1.2 元和1.1 元，增幅較小。結(jié)合圖3 可知，原因在于Ⅰ類場地是較好的堅硬場地，且由Ⅰ0類提高至Ⅰ1類，結(jié)構(gòu)基本振型所對應(yīng)的水平地震影響系數(shù)變化不大；同理，Ⅲ類和Ⅳ類場地中結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)變化幅度較小，故土建成本變化不明顯。而由Ⅰ1類提高到Ⅱ類和由Ⅱ類提高到Ⅲ類，單位土建成本增幅較大，增加比例達到27%以上。再結(jié)合圖3，場地類別由Ⅰ1類提高到Ⅱ類和由Ⅱ類提高到Ⅲ類時，基本振型所對應(yīng)的水平地震影響系數(shù)增幅較大，地震作用增幅較大，從而導致土建成本增加，以提高抗震承載力。總之，軟弱場地對地震動有放大作用，且場地類別越高放大作用越明顯，反應(yīng)譜特征周期越大地震動低頻長周期成分越明顯，對高層建筑結(jié)構(gòu)的影響越大。為避免共振效應(yīng)或烈度異常區(qū)的出現(xiàn)，應(yīng)對Ⅲ類或Ⅳ類場地上的結(jié)構(gòu)自振周期加以控制。

表7 不同場地類別下主要建材用量和成本分析(0.15 g 區(qū))Table 7 The construction cost and comparison of different sites (zone 0.15 g)

4 結(jié)論

基于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2016），本文對抗震設(shè)防烈度為7 度（0.15g）的剪力墻結(jié)構(gòu)在不同場地類別下的地震動參數(shù)加以修正，并給出了不同場地類別下的地震影響系數(shù)曲線。選取某12 層剪力墻結(jié)構(gòu)，利用PKPM 建模，采用單一控制變量法，對比分析了不同抗震設(shè)防烈度及不同場地類別下土建建材用量和單位土建成本增加值及增加比例，得出以下結(jié)論：（1）當工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度提高時，在低烈度區(qū)，土建成本增加幅度較小，可在土建成本較小增加的前提下，使設(shè)防水準提高1 個等級；在高烈度區(qū)，土建成本增加幅度大，這說明在高烈度區(qū)采用改變構(gòu)件截面尺寸和配筋率提高結(jié)構(gòu)抗震能力無法達到“最經(jīng)濟”。（2）場地類別對土建成本的影響不容忽視，可直接影響反應(yīng)譜特征周期和地震動峰值加速度，進而影響設(shè)計反應(yīng)譜形狀，影響地震影響系數(shù)，從而對地震作用產(chǎn)生影響。（3）對高層建筑結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自振周期與場地特征周期相協(xié)調(diào)，以避免共振效應(yīng)或烈度異常區(qū)的出現(xiàn)。