某框架—剪力墻結構設計優化

任言宏　趙建敏　王東方

(1.山東萊陽盛隆建筑工程有限公司，山東 萊陽　265200；　2.北京航力巍筑工程技術咨詢有限公司，北京　100022)

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某框架—剪力墻結構設計優化

任言宏1趙建敏2王東方2

(1.山東萊陽盛隆建筑工程有限公司，山東 萊陽265200；2.北京航力巍筑工程技術咨詢有限公司，北京100022)

結合某框架—剪力墻結構工程實例，以結構設計安全性為前提，介紹了該結構優化設計的基本思路，從地下室、地基基礎、擋土墻、剪力墻等方面，闡述了結構優化設計的調整方案，使該結構的設計更加安全、經濟、合理。

剪力墻，框架柱，地基基礎，結構設計

當前結構設計領域比較偏重于計算機電算結果，因此，在對設計程序假定的理解、輸入數據的精確性、計算模型的簡化等方面對結構設計師提出了更高的要求。而且計算機中很多的數據檢查不太直觀，這造成設計過程中會出現或多或少的失誤，通常結構設計師為保障結構安全，往往會人為放大程序的設計結果，這不但會造成較大的浪費，還可能造成設計成果違背強柱弱梁、強剪弱彎等傳統的設計概念[1]。同時結構設計師經常偏向于使用易于建模的結構方案、基礎形式等，而忽略一些計算機處理復雜但安全性、經濟性更優的方案，對于結構設計會造成很多不利的影響。本文以某典型框架—剪力墻項目為例，針對已有設計成果進行仔細研究，從安全性與經濟性上提出了合理的優化設計建議。

1　工程概況

本工程為框架—剪力墻結構，總建筑面積4.1萬m2，地上11層(不含機房層)，地下1層。抗震設防烈度7度(0.15g)，所屬地震分組第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設防類別為重點設防類，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。采用梁板式筏形基礎。地下1層建筑層高為4.2 m，地上1層層高5.6 m，2層4.2 m，3層4.3 m，設備層2.2 m，4層4.1 m，5層以上3.9 m。

2　結構設計優化的基本思路

結構安全性和造價經濟性是結構設計的兩大基本要求，但二者往往較難做到平衡統一，或偏于不安全，或偏于浪費，或浪費的同時還伴有安全隱患。然而基于方案的結構優化設計往往能夠兼顧結構安全性與經濟性的要求，結構設計優化的目的是為了消除可能存在的安全隱患，并在滿足安全性的前提下節省造價。

本項目結構設計優化從結構安全性復核、建筑做法優化、基礎方案優化、構件精細化設計、計算參數復核等方面進行。

3　結構設計安全(質量)隱患復核

經復核，該結構設計存在如下安全隱患。

3.1隔墻荷載考慮不足

內隔墻選用TB鋼絲網架珍珠巖夾芯板70型，成墻后重量135 kg/m2，計算模型中各層隔墻線荷載輸入值均為4 kN/m2，荷載考慮不足，建議按照實際隔墻高度進行線荷載復核調整。

例如首層，梁高0.65 m，線荷載q=(5.6-0.65)×0.135×9.8=6.5 kN/m2。

3.2懸挑梁安全隱患

3.3裂縫控制安全隱患

13.550標高以下(含13.550樓面)混凝土強度等級均為C40，不利于基礎及地下室外墻裂縫控制，經復核，基礎及地下室外墻混凝土強度等級采用C30即可滿足要求。建議梁板、基礎及地下室外墻混凝土強度等級調整為C30。

在對結構設計優化過程中，對于原結構設計安全隱患或質量隱患的復核是極其重要的一個方面，結構設計優化是在保證結構安全并消除原設計結構安全隱患的前提下進行的。

4　地下室頂板做法優化調整

原設計地下室頂板降板600 mm，回填CL7.5輕集料混凝土。按建筑圖，地下1層6～18/L～Y范圍為變配電室，給排水管線不能穿越；地下1層1～11/Y～P，1～6/L～Y范圍為庫房，給排水管線也不宜穿越。除了上述房間之外，其他房間排水管線均可以穿越，建議不降板，附加恒載可由10 kN/m2減值2 kN/m2，地下1層頂梁、板截面和配筋可減小，傳至基礎的荷載也減小。原設計CL7.5輕集料混凝土，容重為16 kN/m3，造價較高，建議調整為容重為16 kN/m3的灰土墊層，材料價格降低，經濟性好。對建筑做法進行細致推敲，可以降低建筑材料造價；通過對降板范圍的優化，減少了結構荷載，從而不但使結構造價降低，還能提高結構的安全性。

5　地基基礎方案優化調整

原設計基礎采用梁板式筏板基礎，地基采用天然地基，持力層為粉質粘土，地基承載力特征值為180 kPa。基礎梁主要截面尺寸為0.9 mm×(1.3 m～2 m)，筏板厚度為0.6 mm，基底標高為-7.200，筏板與基礎梁底平。

原基礎方案的土方開挖及回填量、鋼筋用量、混凝土用量、模板用量均偏大，且施工便利性差。

建議的基礎方案為：柱下采用獨立基礎，剪力墻(包括擋土墻)下采用條形基礎，獨立基礎及條形基礎厚度0.9 m～1 m，基礎形式為錐形；其余范圍采用防水板，厚度為0.25 m，防水板與獨立基礎底平，基礎底標高調整至-6.200。獨立基礎及條形基礎下采用CFG樁復合地基進行地基處理，其余范圍不處理[2]。

按照地質勘察報告提供的設計參數，經核算，當采用400 mm樁徑，14.5 m樁長，3.5倍樁間距進行地基處理后，CFG樁復合地基承載力為520 kPa，深度修正后的承載力為540 kPa，地基土壓縮模量的計算按《建筑地基處理技術規范》要求進行計算。經過優化調整之后，地基承載力及變形均滿足規范要求。

優化前后經濟指標對比見表1。

表1　優化前后經濟指標對比表

基礎方案調整之后，基礎造價約節省90元/m2(按全樓建筑面積核算)，經濟性很好，且便于施工。可見，方案性的優化在結構設計優化中的效益是最明顯的。

6　地下室擋土墻優化調整

1)取消墻下基礎梁和墻頂暗梁。原設計地下室擋土墻下設基礎梁，截面尺寸為900 mm×1 300 mm，通長上筋為722，通長下筋為722，箍筋為10@100/150(6)，腰筋為418。擋土墻頂設暗梁，縱筋上下各320，箍筋為10@150。擋土墻下基礎梁和擋土墻頂暗梁無設置必要，建議直接取消。2)擋土墻厚度和配筋調整。原設計擋土墻墻體厚度為350 mm，擋土側通長鋼筋16@150，非擋土側為16@150，水平分布筋為14@150，原設計墻厚及配筋均偏大。經核算，擋土墻墻厚可調整為300 mm，配筋調整如下：擋土側通長鋼筋12@200，附加鋼筋為14@200，非擋土側為12@150，水平分布筋為10@150。對于總長度為150 m左右的擋土墻，一個截面圖就決定了擋土墻的造價，所以精細化設計更是非常重要。

7　剪力墻設計優化調整

1)剪力墻厚度、配筋。原設計剪力墻厚度、配筋均偏大，對墻厚進行適當調整，配筋進行精細化設計。在底部加強部位及以上選取有代表性墻體，進行優化前后墻厚和配筋對比，見表2。

表2　優化前后典型墻厚和配筋對比

2)邊緣構件。邊緣構件實配縱筋和箍筋比計算需要和構造要求放大較多，對其縱筋進行精細化設計，縱筋節省比例為20%～35%，箍筋節省比例為20%～30%。

3)連梁高度和配筋。連梁高度過高，跨高比小，且縱筋過大，不符合抗震概念設計要求，適當減小連梁高度，連梁縱筋配筋由最大抗剪能力對應的彎矩確定，可保證連梁的抗震能力[3]，且節省材料，同時還提高了結構的抗震耗能能力，從而具有更高的抗震安全性。

8　框架柱和框架梁優化調整

1)框架柱箍筋。按整體計算參數，框架柱箍筋強度等級為一級鋼(HPB235)，而框架柱實配箍筋采用三級鋼(HRB400)，計算參數與施工圖不符，導致框架柱箍筋偏大，不經濟。將框架柱箍筋調整為三級鋼(HRB400)重新進行整體計算，對施工圖中框架柱箍筋進行調整，箍筋量可節省30%左右。在對結構進行整體計算時，一個參數取值不當，可能會導致大量的成本增加，進行設計優化時，結構整體計算模型中計算參數的復核非常必要。2)框架梁寬度和箍筋。原設計框架梁寬度為350 mm，箍筋為四肢。經核算，梁寬均可調整為300 mm，箍筋可調整為兩肢箍均可滿足要求，經濟性好。

9　結語

本項目通過結構設計優化，在解決了安全隱患的同時，節省工程造價約150元/m2，是一個從多維度進行結構設計優化的典型案例。1)結構設計優化是以滿足安全性要求為前提，在結構設計優化中對于消除結構安全隱患更加重視。2)結構設計優化中，方案性優化的效益是最明顯的，在不降低結構安全度的基礎上，既可以節省較多的工程造價，又可以提高施工便利性或節省工期。在本項目中，地基基礎方案優化節省的工程造價占總造價比例的60%。3)在結構設計優化中，對結構整體計算模型參數的復核至關重要。如框架柱箍筋計算模型中是HPB235，施工圖中是HRB400，一個參數弄錯了，就會帶來很大的浪費。4)精細化設計既可以使結構設計更合理，又可以節省工程造價。如地下室外墻一個截面就決定了整個地下室外墻的造價，所以對精細化設計的要求更高。5)結構設計優化中，吃透建筑條件也非常重要。如地下室頂板建筑做法，通過了解設計意圖，減少了覆土范圍，并調整了回填材料，不但節約了結構造價，還提高了結構的安全性。6)結構設計優化是要讓結構滿足適度的安全度，盲目增加配筋或截面的情況，不但會提高工程造價，還會因為違背了強柱弱梁、強剪弱彎等抗震概念，造成結構的安全隱患，因此需要進行調整，使設計更加安全、合理、經濟。

[1]程懋堃.結構創新思維設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[2]閆明禮，張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]黃銳，莫庸.剪力墻連梁在高烈度區抗震設計中若干問題的討論[J].建筑結構，2009，39(4)：22-25.

Design optimization of the frame-shear wall structure

Ren Yanhong1Zhao Jianmin2Wang Dongfang2

(1.ShandongShenglongConstructionEngineeringCo.,Ltd,Laiyang265200,China;2.BeijingA&CEngineeringTechnologyConsultingCo.,Ltd,Beijing100022,China)

Combining with the frame-shear wall structure engineering example, taking the structural design safety as the orientation, the paper introduces the basic concept of the structural optimization design, and describes the adjustment scheme of structural optimization design from aspects of basement, foundation base, retaining wall and shear wall, so as to make the structural design more safe, economic and rational.

shear wall, frame column, foundation base, structural design

1009-6825(2016)19-0036-02

2016-04-24

任言宏(1973- )，男，工程師

TU398.2

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