多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量優(yōu)化措施

王立波 秦志偉

(保定市建筑設計院有限公司，河北 保定 071000)

多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量優(yōu)化措施

王立波 秦志偉

(保定市建筑設計院有限公司，河北 保定 071000)

為了在設計階段合理控制結(jié)構(gòu)的鋼筋用量，對保定市某工程項目進行了初步設計，并在此基礎上從結(jié)構(gòu)概念設計、上部結(jié)構(gòu)計算參數(shù)控制和施工圖設計等方面進行優(yōu)化，提出了多高層混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量優(yōu)化設計要點和解決辦法，以供參考。

混凝土結(jié)構(gòu)，含鋼量，結(jié)構(gòu)設計，優(yōu)化措施

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，尤其是房地產(chǎn)開發(fā)項目的經(jīng)濟性指標，一直以來都受到各方面的廣泛關(guān)注。從小的方面講，提高建筑結(jié)構(gòu)的“性價比”是為了迎合開發(fā)商降低成本、追求效益最大化的市場需求；從大的方面講，合理的經(jīng)濟性指標符合國家大力提倡的“低碳、節(jié)能、省材、環(huán)保”的政策方針。所以根據(jù)項目需要，合理控制建筑結(jié)構(gòu)的工程成本，是一件利國利民、多方收益的大事情。

但是控制建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性指標，不能以降低結(jié)構(gòu)的安全度為代價。如何在滿足建筑形體要求的前提下，合理控制建設成本，一直是建設單位和設計單位非常重視的問題。本文擬從混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量控制的角度，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的要點。

1 工程概況

福堡·秀域工程位于保定市高新區(qū)復興路北，南鄰保百超市，建設用地東西長70 m，南北長約120 m，總建筑面積5.41萬m2，是集商業(yè)、辦公、公寓于一體的綜合性公共建筑。高層公寓布置在用地北側(cè)，多層辦公用房及商業(yè)用房呈回字形布置在高層公寓南側(cè)(見圖1)。

本工程地下3層，均為機械復式停車汽車庫，局部為設備機房；地下3層北半部分戰(zhàn)時為核6級甲類人防物資庫；地上分為主樓和裙房兩部分。主樓地上28層，其中地上1層，2層為商業(yè)，其余為公寓。裙房地上最高處5層，其中地上1層，2層為商業(yè)，其余為公寓。主樓結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，房屋高度92.10 m；裙房結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，房屋高度23.80 m。抗震設防烈度為7度(0.1g)，設計地震分組為第二組。

為了在設計階段合理控制結(jié)構(gòu)的鋼筋用量，我們對該項目進行了初步設計，并在此基礎上從結(jié)構(gòu)概念設計、上部結(jié)構(gòu)計算參數(shù)控制和施工圖設計等方面進行了優(yōu)化。

2 整體概念設計

2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置

建筑形體的規(guī)則性是影響結(jié)構(gòu)受力特征的主要因素之一，也是影響結(jié)構(gòu)鋼筋含量的主要因素。一般而言，平面和立面都比較規(guī)則的建筑，其主體結(jié)構(gòu)的鋼筋含量相對較少；而不規(guī)則建筑的各項結(jié)構(gòu)設計指標往往會趨于不合理，結(jié)構(gòu)的鋼筋含量也相對較高。再者，合理的結(jié)構(gòu)布置應充分發(fā)揮各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，盡量避免結(jié)構(gòu)配筋由最小配筋率控制。

經(jīng)過同建筑專業(yè)溝通，對主樓核心筒的位置和地下室梁系進行調(diào)整。調(diào)整主樓核心筒位置及剪力墻布置，使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心趨于重合；建筑將走廊的輕質(zhì)填充墻由200 mm改為150 mm，結(jié)構(gòu)取消了走廊中的兩道次梁(見圖2，圖3)。

地下室頂板的初步設計方案如圖4所示，初設方案采用了十字交叉梁(250 mm×500 mm)，框架梁截面為(300×700)mm2，樓板厚度為160 mm。查看計算結(jié)果可知，地下室頂板的板配筋基本上是由最小配筋率控制的，而且框架梁的配筋率僅在1.4%左右。新方案僅在柱網(wǎng)中沿長跨方向布置一道次梁(見圖5)，將樓板分割成為較大的雙向板，以充分發(fā)揮樓板的承載能力，使板配筋不再由最小配筋率控制。

2.2 結(jié)構(gòu)嵌固端的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)嵌固端的位置，影響到地下室的抗震等級和結(jié)構(gòu)底部加強區(qū)的范圍。根據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范(簡稱《抗規(guī)》)6.1.14條的要求，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位時，地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍。初設方案將嵌固端取到筏板頂面，而從電算結(jié)果來看，本工程的側(cè)向剛度比滿足地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)嵌固部位的要求，只要在構(gòu)造上按規(guī)范要求稍加處理即可。

因此，本工程的結(jié)構(gòu)嵌固部位取為地下室頂板。這樣可以減少主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)力計算高度，對控制結(jié)構(gòu)整體位移和位移比更有利，并可減小剪力墻長度或數(shù)量，減小框架柱和框架梁的截面尺寸。

2.3 框架柱材料強度的優(yōu)化

當框架柱縱向鋼筋的配筋是由最小配筋率控制時，框架柱縱筋的配筋隨著柱截面尺寸的增大而增加，因此，當框架柱的截面尺寸不受其他條件制約時，可適當減小柱截面尺寸以降低柱縱筋用鋼量。初設方案梁柱箍筋采用的HPB300和HRB335級鋼筋，將其全部調(diào)整為HRB400級鋼筋，可以通過減小箍筋直徑和肢數(shù)，以實現(xiàn)降低箍筋用鋼量。

3 地基基礎設計

3.1 主樓基礎梁截面的優(yōu)化

主樓基礎采用CFG樁復合地基上的梁板式筏基。基礎梁的優(yōu)化采取增加基礎梁寬度，減小梁高度的方式。利用基礎筏板厚度較大的特點，在不減小基礎梁截面面積和抗剪能力的情況下，可以節(jié)省混凝土用量。同時，基礎梁加寬后，減小了基礎底板的凈跨度，節(jié)省基礎梁寬度范圍內(nèi)基礎底板的鋼筋。

比如初設方案中，縱向基礎梁均為(1.2×2.5)m2，可改為(1.5×2.0)m2，其截面面積相同，而基礎梁的截面主要由抗剪承載力決定，這樣抗剪能力并沒有降低，但基礎底板厚度1.2 m范圍內(nèi)并沒有因梁寬度的加大而增加混凝土，因此，實際此基礎梁的混凝土用量會減少0.36 m3/m，主樓縱向基礎梁總長212 m，則主樓縱向基礎梁可節(jié)約混凝土0.36×212=76.32 m3。

3.2 裙房基礎的優(yōu)化

裙房地基采用天然地基，基底標高在第⑤層粉質(zhì)粘土處，未經(jīng)修正的地基承載力特征值fak=170 kPa。初設方案的基礎形式為梁板式筏形基礎。為了確定更合理的基礎方案，我們分別做了梁板式筏基和柱墩平板式筏基兩個方案，并對其鋼筋用量和總造價進行了對比，結(jié)果如表1所示。

表1 基礎混凝土鋼筋用量對比表

在JCCAD軟件中，基礎梁有多種計算模式，其中“按SATWE或TAT上部剛度進行地基梁計算”是將上部結(jié)構(gòu)剛度用子結(jié)構(gòu)的方法凝聚到基礎上，該方法用于框架結(jié)構(gòu)非常理想。因為裙房的結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，所以選用了“按SATWE或TAT上部剛度進行地基梁計算”的地基梁計算模式。平板式筏基的計算采用樁筏、筏板有限元計算。

從表1可以看出，平板式筏基比梁板式筏基的鋼筋用量少37.26 t，總造價少27.1萬元，而且平板式筏基更加便于施工。因此，裙房的基礎類型選用了柱墩平板式筏基。

4 地下室外擋土墻設計

地下室外擋土墻的荷載取值，應考慮消防環(huán)路的位置，在非消防環(huán)路處不考慮消防車荷載；同時，地下車庫頂板覆土較厚時，對消防車荷載可以采用擴散值[2]。可以考慮護坡樁的擋土作用，將地下室外墻的側(cè)向土壓力值適當折減。當基礎底板上回填材料頂面宜設置剛性地面時，可考慮剛性地面的作用，降低地下室外墻的計算高度，以減少擋土墻配筋。地下室為多層時，地下室外墻豎向鋼筋可以根據(jù)受力要求設置外側(cè)非貫通筋[3]。

5 地上結(jié)構(gòu)優(yōu)化要點

在結(jié)構(gòu)計算過程中，荷載輸入數(shù)據(jù)應與實際相符，不要隨意加大，例如計算梁間荷載時，填充墻高度應取層高減去梁高，而不應按層高計算。在荷載取值合理的基礎上，地上結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計主要包括計算參數(shù)的合理取用和精細化施工圖設計兩個方面。

5.1 計算參數(shù)的合理取用

1)當梁柱的截面尺寸都很大時，梁柱重疊部分可簡化為剛域。

2)梁扭矩折減系數(shù)可取0.4～1.0：考慮樓板對主梁的約束作用，計算配筋時，對梁扭矩組合進行折減。

3)墻柱基礎按《荷載規(guī)范》考慮活荷載折減，降低構(gòu)件內(nèi)力，減小配筋量。

4)混凝土保護層厚度影響構(gòu)件計算高度的大小，應按規(guī)范取用混凝土保護層厚度。

5)框架梁端配筋考慮受壓鋼筋影響，以減小梁配筋。

6)考慮板對梁承載力的貢獻(T形梁)：當板為梁上翼緣時，對于負彎矩(支座)，梁配筋可以考慮板內(nèi)鋼筋影響，對于正彎矩(跨中)按混凝土受壓考慮對梁配筋影響，減少鋼筋用量。

7)剪力墻采用組合截面配筋驗算：將組合墻按整體截面計算，使邊緣構(gòu)件配筋更合理，總配筋量可以減少(PKPM程序中有此菜單)。

5.2 施工圖設計要點

1)在框架梁跨度較大時，梁上部通長筋可采用小直徑鋼筋與受力主筋搭接。

2)樓面梁下部鋼筋根據(jù)受力需要可以部分鋼筋不伸入支座，但一般須滿足四個條件：

a.《抗震規(guī)范》6.3.6條2款規(guī)定，框架梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比值，除按計算確定外，一級不應小于0.5，二、三級邊緣小于0.3。

b.支座處下部鋼筋伸入支座面積不應小于計算結(jié)果。

c.不小于梁最小配筋率。

d.最下面一排鋼筋伸入支座。

3)次梁的跨中架立筋按跨度大小取用，詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》9.2.6條第2款。

4)當梁寬較大時，梁側(cè)構(gòu)造抗裂鋼筋(腰筋)的配置可以放寬。

5)按彈性理論計算的雙向板，當短邊跨度較大時(L1≥2.5 m)，為節(jié)省板底部鋼筋，可將板在兩個方向各分為三個板帶。兩邊板帶的寬度均為短邊跨度L1的1/4，其余則為中間板帶，如圖6所示。在中間板帶內(nèi)，應按最大跨中計算正彎矩配筋，而在邊板帶內(nèi)的配筋各為其相應中間板帶的一半，且每延米的鋼筋間距應符合規(guī)范要求。此時，連續(xù)板的中間支座鋼筋可不分板帶均勻配置。

6)板類受彎構(gòu)件(不包括懸臂板)的受拉鋼筋，當采用強度等級400 MPa，500 MPa的鋼筋時，其最小配筋率應允許采用0.15和45ft/fy中的較大值。

7)控制板負筋伸入跨中的長度，滿足構(gòu)造要求即可。

6 結(jié)語

多高層混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性是許多工程設計制勝的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)工程師要有強烈的工程造價控制意識，從結(jié)構(gòu)整體方案和結(jié)構(gòu)細部構(gòu)造等方面精心設計，并大膽采用新工藝、新技術(shù)，把技術(shù)和經(jīng)濟結(jié)合起來。從宏觀上講，合理確定結(jié)構(gòu)的嵌固部位、抗震等級和結(jié)構(gòu)布置方案，能夠從整體上控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性；從微觀上講，結(jié)構(gòu)設計應對結(jié)構(gòu)的細部構(gòu)造進行精心設計，充分發(fā)揮每個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力，盡量避免結(jié)構(gòu)配筋由最小配筋率控制。本工程在設計過程中通過對總體分析、細部構(gòu)造等多方面采取控制措施，最終在安全可靠的前提下，很大程度地提高了結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。這些措施可在其他類似項目中合理應用。

[1] 中國建筑標準設計研究院.建筑物抗震構(gòu)造詳圖(11G329-1)[M].北京：中國計劃出版社，2011:43.

[2] 全國民用建筑工程設計技術(shù)措施[M].北京：中國計劃出版社,2009(12):102-103.

[3] 中國建筑標準設計研究院.混凝土結(jié)構(gòu)施工圖(11G101-1) [M].北京：中國計劃出版社,2011:77.

Steel content optimizing measures of multi-high-rise steel reinforced concrete structure

WANG Li-bo QIN Zhi-wei

(BaodingBuildingDesignInstituteCo.,Ltd,Baoding071000,China)

In order to control the steel content at the structural design phase, the article carries out initial design of the engineering project in Baoding city, and optimizes the structural concept design, upper structure calculation parameter control and construction chart design and other aspects, and puts forward steel content optimizing design points and solutions of multi-high-rise steel reinforced concrete structure, with a view to provide some guidance.

concrete structure, steel content, structural design, optimal measure

1009-6825(2014)22-0032-03

2014-05-12

王立波(1971- )，男，高級工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師； 秦志偉(1985- )，男，助理工程師

TU375

A