抗震區多層剪力墻結構與框架結構的經濟性對比

劉揚鋒

廈門中福元建筑設計研究院（361900）

抗震區多層剪力墻結構與框架結構的經濟性對比

劉揚鋒

廈門中福元建筑設計研究院（361900）

這里對現行《建筑抗震設計規范》關于抗震區剪力墻結構與框架結構的基本構造配筋規定進行歸納對比，提出整樓設置構造邊緣構件的多層剪力墻結構的經濟性優于框架結構的觀點，并以廈門市某學校多層學生宿舍樓為例，按剪力墻結構和框架結構兩種結構體系進行分析比較，表明多層剪力墻結構確實比框架結構更為經濟。

剪力墻；經濟性；配筋率

0 引言

剪力墻結構因其能提供足夠大的側向剛度被廣泛應用于高層建筑中。多層建筑則很少采用剪力墻結構而普遍采用框架結構。一方面因為剪力墻施工難度大，另一方面因為剪力墻結構不如框架結構經濟。但在多層建筑中剪力墻結構的經濟性相比框架結構究竟如何?以下從《建筑抗震設計規范》關于兩者結構構件的構造配筋要求進行歸納對比來分析兩者在經濟性方面孰優孰劣。

首先對比豎向承重構件（剪力墻與框架柱）的縱筋。多層建筑底層豎向構件軸壓力并不大，剪力墻采用較薄墻厚即能將軸壓比控制在允許值設置構造邊緣構件的軸壓比限值以下，剪力墻邊緣構件可均按構造邊緣構件考慮。為便于比較，現作如下假設：對抗震區Ⅱ類場地的同一棟多層建筑，兩種結構體系模型中豎向構件的截面面積相同。剪力墻厚取為200 mm，按滿足一般剪力墻要求取各肢最小長度為1 700 mm,每肢單個邊緣構件尺寸最大為200 mm×400 mm，這樣構造邊緣構件面積最大僅占墻總截面面積的1/2（在此按1/2計）。由《建筑抗震設計規范》的房屋抗震等級表可知，多層建筑剪力墻結構中剪力墻的抗震等級均比相同高度的框架結構的普通框架抗震等級低一級（僅6度區稍有差異）。剪力墻和框架柱都僅按規范最小構造配筋，鋼筋采用HRB400鋼材。將剪力墻縱筋（包括邊緣構件縱筋和墻身豎向分布筋）換算成最低配筋率,并與框架柱縱向鋼筋最小配筋率按對應的抗震等級列于表1。

由表1可以看出，設置構造邊緣構件的剪力墻縱向鋼筋構造最低配筋率比框架柱最小配筋率少0.3%以上，因此剪力墻的縱筋構造更節省。

接著對比兩者的箍筋（剪力墻中含水平向鋼筋）。框架柱箍筋的加密區域長度（含節點核心區長度）和非加密區長度近似為各占柱高的一半。剪力墻的水平分布鋼筋構造需伸至墻端錨固，其面積配筋率等于其體積配筋率。將邊緣構件箍筋及墻身水平筋最后近似換算為總體積配筋率再與框架柱箍筋體積配箍率進行比較，詳見表2。

由表2可知，配筋率除剪力墻底部加強區比框架柱稍大外，其余均小于框架柱，所以剪力墻箍筋（含水平筋）最低構造總用量仍比框架柱少。

最后來定性比較框架梁（樓板、樓梯等構件在兩種結構體系中造價基本一樣，在此不多論述）。在剪力墻結構中框架梁抗震等級同剪力墻，從而其抗震構造亦比同高度框架結構中框架梁的抗震等級低一級。同時剪力墻的設置大幅減小了墻肢面內相交的框梁的跨度及梁上總荷載，使框梁的計算配筋大幅減小，這也是體現剪力墻更具有經濟性的關鍵因素。

表1 剪力墻縱筋換算成最低配筋率與框架柱縱向鋼筋最小配筋率對應的抗震等級

表2 配筋率與框架柱箍筋體積配箍率比較

綜上所述，多層剪力墻結構完全可能比框架結構更為經濟。實踐證明，以廈門某學校學生宿舍樓為例，對同一單元分別采用剪力墻結構和框架結構進行設計對比來分析多層剪力墻結構的經濟效果。

1 工程簡介

該學校新建的兩棟樓為小學生和中學生的宿舍樓。建筑總高度20.1 m，共6層，層高3.3 m，室內外高差0.3 m。建筑所在地50年一遇基本風壓w0= 0.8 kN/m2；抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15 g，地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類。宿舍樓按其建筑高度在該地區不適用異形柱框架結構。若采用異形柱框架剪力墻結構，其框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級，僅構造用鋼量就明顯增加，顯然不經濟。如采用普通框架結構，凸出墻面的框架柱對宿舍床位的布置或衛生間的使用影響很大，而采用剪力墻結構則能很好解決以上問題。選取其中一個“L”形單元分別采用框架結構模型和剪力墻結構模型進行經濟性對比。

2 分析對比

框架結構模型的平面布置如圖1。其框架的抗震等級為二級，縱橫兩個方向框架基本拉通且跨度均勻，但“L”形建筑的兩肢橫向上存在多榀單跨框架，對抗震較為不利。

圖1 框架結構模型平面布置

剪力墻結構模型的平面布置如圖2。剪力墻的抗震等級為三級，剪力墻在平面上的布置基本上與框架結構模型中框架柱的柱位一致。兩模型豎向構件混凝土強度等級均相同：1～3層為C35，3層以上為C30。梁、板混凝土強度等級均為C30。縱向受力鋼筋、分布筋和箍筋均采用HRB400鋼筋。

圖2 剪力墻結構模型平面布置

經計算分析，兩模型在水平地震作用下的位移角均剛好能滿足規范要求。在其他控制指標也均滿足規范要求的條件下，對兩模型的主要結構構件的混凝土用量和鋼材用量進行統計，將結果分別列于表3和表4。

表3 結構構件混凝土用量表（單位：m3）

表4 結構構件鋼筋用量表（單位：kg/m2）

由表3、表4可知，墻肢按一般剪力墻考慮并將軸壓比控制在0.3以內的剪力墻模型相比框架結構，雖然混凝土用量增加了58.4 m3，但其剪力墻用鋼量仍比框架結構的框架柱用鋼量少0.75 kg/m2，框梁用鋼量也比與框架結構減少多達7.65 kg/m2，其鋼筋總用量省34.19噸。混凝土價格約按350元/ m3，鋼材價格約按2 500元/t計，則單從結構構件材料上看將節省(34.19×2 500-58.4×350)=65 035元。同時剪力墻比框架柱多出的混凝土造價，一部分可由因剪力墻替代而減少的磚隔墻、構造柱的造價相抵扣，其經濟性的優勢更加明顯。由此可見，本工程上部結構采用剪力墻結構比框架結構更經濟。

3 結語

有時剪力墻結構比框架結構更經濟的根本性原因，并不在于剪力墻本身材料的節省，而在于由剪力墻所引起的相關構件材料的減少。像上述實例中，框梁材料用量驟減是令該結構的更經濟的關鍵因素。因此在合理布置剪力墻的同時綜合考慮相關構件的設置才能達到更好的效果。文章可為抗震區多層建筑的結構選型提供方向指引。

[1]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[2]JGJ149-2006，混凝土異形柱結構技術規程[S].