影響某高層住宅結構含鋼量因素分析

【摘要】某高層住宅項目，由于建設方對含鋼量的控制很嚴格，故選取其中一個具有代表性的樓棟從結構布置、荷載選取、模型計算參數等方面對結構含鋼量的影響進行分析與對比，得到含鋼量變化的主要規律。

【關鍵詞】高層剪力墻住宅結構； 結構布置； 荷載選取； 模型計算參數； 含鋼量

【中圖分類號】TU318.2【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-03-05

［作者簡介］趙純陽（1992—），男，本科，國家一級注冊結構工程師，從事結構設計工作。

0 引言

近來，隨著土地供應減小，人力以及水泥、鋼筋等材料價格不斷上漲，疊加新冠疫情對經濟的影響，房地產企業的利潤空間被大幅壓低，在如此嚴峻的行業形勢下，房企把控制成本作為與設計單位合作的主要條件之一，并在與設計院的合同條款中明確規定單位建筑面積含鋼量。

本文通過對漢中市勉縣某高層住宅項目進行研究，著重從結構布置、荷載選取、模型計算參數等方面對結構含鋼量的影響進行分析，得到一般規律，可為建設方及結構設計人員提供參考依據。

1 項目概況

漢中市勉縣某高層住宅項目規劃總建筑面積612 180.24 m2，其中住宅建筑面積402 252.96 m2，其余是商業建筑、辦公建筑、配套用房。現取其中一棟具有代表性的住宅樓進行分析，本工程建筑為地上11層，無地下室，高度33.3 m，采用鋼筋混凝土剪力墻結構。結構安全等級為二級，設計基準期和設計使用年限為50年。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40 s，基本風壓為0.3 kN/m2，地面粗糙度類別為B類，地基基礎設計等級為乙級。采用YJK4.0進行結構計算。

2 結構布置對含鋼量的影響

為了研究不同結構布置對含鋼量的影響，布置了2種方案，圖1為方案一，圖2為方案二。圖2中橢圓形框選的剪力墻和柱子是在圖1結構布置的基礎上新增的，在保證荷載和參數完全一樣的情況下，計算結果詳見表1。由表1可知，通過增設剪力墻和柱子，結構整體含鋼量降低了4.02%，雖然其中剪力墻和柱子的含鋼量略有增加，但梁的含鋼量減少更多，故整體含鋼量依然是減小的。由此可知，合理地進行結構布置，讓荷載的傳遞更直接是有助于降低整體結構含鋼量的。

3 荷載對含鋼量的影響

減小結構荷載不僅減小了結構在豎向荷載下的效應，

根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》［1］5.2.3易知，同時還減小了結構在水平荷載下的效應，從而可以降低結構含鋼量。

3.1 樓板恒荷載

方案二：住宅戶內外公共區域、客餐廳取值為2 kN/m2；臥室、書房、管井、機房等取值為1.5 kN/m2；廚房、陽臺取值為1.5 kN/m2；同層排水衛生間（結構降板350）取值為7.5 kN/m2；上人保溫屋面（找坡長度12 m）取值為5.1 kN/m2。以上荷載取值是經過合并，并且進行適當放大后的荷載，而實際上的荷載應該根據建筑的實際做法進行計算后取值。比如對于客餐廳而言，建筑的實際做法是12 mm厚地磚+20 mm厚水泥砂漿找平層+20 mm厚水泥砂漿找平拉毛+10 mm厚板底抹灰或吊頂，對應的荷載就是0.012×20+0.02×20×2+0.01×20=1.24 kN/m2，荷載少了38%。

方案三（荷載為按建筑實際面層做法計算出來的荷載）：住宅戶內外公共區域、客餐廳取值為1.24 kN/m2；臥室、書房、管井、機房等取值為1.2 kN/m2；廚房、陽臺取值為1.26 kN/m2；同層排水衛生間（結構降板350）取值為5.46 kN/m2；上人保溫屋面（采用結構找坡）取值為2.44 kN/m2。

3.2 梁上恒荷載

方案二：根據建筑實際采用的內外墻做法，計算出墻的面荷載，層高扣除一個具有普遍代表性的梁高，兩者相乘得到梁上線荷載，遇到有門窗洞口的地方，再乘以折減系數0.8。這種方法建模簡單快捷，但是荷載相對保守，經濟性差。

方案三：完全根據建筑的實際做法計算線荷載，這種方法荷載準確、經濟性好，但操作起來較繁瑣。

3.3 方案二與方案三對比

表2為方案二與方案三的對比，從表中可以看出通過降低荷載，結構整體含鋼量降低了7.02%，其中除了柱子以外，梁板墻的含鋼量均有所減小。由此可知，降低結構的荷載確實是降低結構含鋼量的有效手段。

需要注意的是，結構工程師不能為了迎合建設方而進行無底線的降低。如陽臺荷載，建筑做法是欄桿，如果結構工程師僅僅按欄桿考慮梁上線荷載，那荷載確實很小，含鋼量確實很低。但是考慮到很多業主入住后可能會對陽臺進行封閉，故此時梁上線荷載應考慮到此種情況。況且，陽臺一般采用的是懸挑梁出挑，荷載偏小對懸挑梁來說也是不安全的。

4 模型計算參數對含鋼量的影響

參數設置對含鋼量的影響同樣是不容忽略的，同樣的結構布置、同樣的荷載作用下，參數的不同也將影響含鋼量。

4.1 地震內力按全樓彈性板6計算

在對恒活風等荷載工況計算時，對樓板習慣于按照剛性板、彈性膜的模型計算，這種模型不考慮樓板的抗彎承載能力，由梁承擔全部荷載內力，此時的樓板成為一種承載力的安全儲備。但是從抗震設計強柱弱梁的要求考慮，常造成梁的配筋過大。如果計算時考慮按全樓彈性板6計算，這樣地震計算時讓樓板和梁共同抵抗地震作用，可以大幅度降低地震作用下梁的支座彎矩，從而可明顯降低梁的支座部分的用鋼量。

4.2 柱剪跨比按通用方法計算

根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》［1］6.3.9.3，剪跨比不大于2的柱體積配箍率不應小于1.2%。而軟件對于剪跨比一般有兩種算法：一種是通用方法，即按M/Vh0方法計算；另一種是簡化方法，即按Hn/2h0方法計算。很多時候，按簡化方法計算出來是短柱，如果按通用方法就不是短柱。故此時若采用通用方法計算，是可以降低一部分柱子箍筋的用鋼量的。

4.3 樓板活荷載輸入房間屬性考慮活荷載折減

根據GB 55001-2021《工程結構通用規范》［1］4.2.5.1知，當建筑物屬于第1（1）項的類別時，計算墻柱基礎時，活荷載可以按樓層進行折減。折減后，活荷載降會降低，從而可以降低整體結構的含鋼量。

4.4 矩形混凝土梁按考慮樓板翼緣的T形梁配筋

根據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》［3］5.2.4條規定：“對現澆樓蓋和裝配整體式樓蓋，宜考慮樓板作為翼緣對梁剛度和承載力的影響。” 當考慮該項時，軟件在承載力設計時，將考慮每側寬度不大于板厚3倍范圍內的板翼緣貢獻，按考慮翼緣后T形截面進行配筋設計，由于考慮了樓板的作用，這將降低梁的含鋼量。

4.5 與剪力墻面外相連的梁不按框架梁設計

與剪力墻面外相連的梁，由于錨固長度的原因，梁端通常會點鉸接，如果不勾選按非框架梁設計，會導致計算假定與實際情況不符且非框架梁按框架梁進行設計構造，將增加梁的含鋼量。

4.6 面外梁下生成暗柱邊緣構件（鉸接梁不生成）

與剪力墻面外相連并點鉸的梁的位置，施工圖可以不生成暗柱，進而降低剪力墻的含鋼量。

4.7 現澆樓板自重扣除與梁墻重疊部分

扣除重疊部分，可以減輕結構自重，進而降低整體結構含鋼量。

4.8 梁端配筋內力取值位置為支座邊

梁端配筋時，可以考慮支撐梁的柱寬度的影響。由于梁端彎矩從柱中心向柱邊跌幅很大，因此考慮柱寬影響可以減少梁端的計算配筋，進而降低梁的含鋼量。

4.9 梁底筋盡可能多截斷、面筋采用小直徑通長

梁底筋多截斷可以減小底筋鋼筋用量，當梁跨度較大時面筋采用小直徑通長可以降低面筋用量，進而降低梁含鋼量。

4.10 約束邊緣構件考慮墻水平分布筋

JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結構技術規程》［4］7.2.15明確提出約束邊緣構件可以考慮墻水平分布筋，并提出了計入的水平分布筋配箍率不應大于總體配箍率的30%，軟件考慮這項出圖可以降低剪力墻的含鋼量。

4.11 周期折減系數根據建筑墻體實際情況盡量偏向規范允許的最大值取值

結構周期越大，結構剛度越小，相應的地震作用越小，進而可以降低結構整體含鋼量。

4.12 錯層樓板按固端計算、樓板采用塑性算法

對于錯層處的樓板，如果錨固長度能滿足充分利用鋼筋抗拉強度的要求，可以設置為按固端考慮，且樓板可以設置為采用塑性算法，這樣可以充分利用板的承載能力，大幅度降低樓板含鋼量。

4.13 方案三與方案四的比較

在方案三的基礎上，調整上述所有參數，得到方案四。表3為方案三與方案四的比較，從表3中可以看出整體含鋼量降低了7.89%，除了柱子以外，梁板墻的含鋼量均有所減小。可以看出，通過調整計算參數，也可以大幅度降低含鋼量。

5 結束語

在實際工程中，影響含鋼量的因素很多，上述僅僅是其中一小部分。只有不斷地加強自身對規范及軟件參數的理解，才能做出安全、經濟、合理的建筑結構。

參考文獻

［1］ 建筑抗震設計規范： GB 50011-2010［S］.2016年版.北京：中國建筑工業出版社.

［2］ 工程結構通用規范： GB 55001-2021［S］.2021年版.北京：中國建筑工業出版社.

［3］ 混凝土結構設計規范： GB 50010-2010［S］.2015年版.北京：中國建筑工業出版社.

［4］ 高層建筑混凝土結構技術規程： JGJ3-2010［S］.2010年版.北京：中國建筑工業出版社.