淺議混凝土結(jié)構(gòu)含鋼量的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

上海市建工設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200050

1 減少用鋼量的基本方法

1.1 建模計(jì)算階段

合理的結(jié)構(gòu)布置、正確的荷載取值與適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)選擇，是減少用鋼量的前提。在建筑方案設(shè)計(jì)的階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員就應(yīng)及時參與，對于建筑形體及其構(gòu)件布置規(guī)則性的要求，通過與相關(guān)專業(yè)的溝通，對建筑的平、立面布局以及承重構(gòu)件的布置提出合理化建議，盡量避免或減少諸如凹凸不規(guī)則、樓板局部不連續(xù)、豎向不規(guī)則等造成用鋼量大幅上升的先天性缺陷[1]。在結(jié)構(gòu)建模的階段，應(yīng)嚴(yán)格按照建筑功能，確定各處恒、活荷載的取值，不應(yīng)隨意放大（亦不可在無明確依據(jù)支持的情況下擅自折減），在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，忠實(shí)于實(shí)際工況選擇正確的折減系數(shù)[2]。在結(jié)構(gòu)模型調(diào)試的階段，對周期折減系數(shù)、梁彎矩放大系數(shù)、梁剛度放大系數(shù)、地震信息的相關(guān)參數(shù)等予以適當(dāng)選擇、正確定義，可以合理控制結(jié)構(gòu)剛度、避免因過度吸收地震力而造成的配筋增大。

對于高層結(jié)構(gòu)，剪力墻的布置往往對工程造價(jià)有著較大的影響。應(yīng)盡量保證剪力墻落地，避免框支[3]。均勻合理地布置墻體，使墻體鋼筋計(jì)算結(jié)果盡可能地趨近構(gòu)造配筋，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們不斷努力的方向。剪力墻的布置并不是越多越好，如果一味地提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，反而會吸引更大的地震作用力，且增加不必要的造價(jià)。在建筑物平面的中心區(qū)域往往存在較多的豎向交通井，如樓梯間、電梯井、設(shè)備管道井等，由于其位于平面內(nèi)部，此處布置的墻體對結(jié)構(gòu)的整體剛度幫助并不大，故一般不宜在井道周圍布置較多的剪力墻[4]。相較于內(nèi)部的墻體，外圍墻體對提高結(jié)構(gòu)整體剛度的效果更好，尤其是山墻部位的墻體。均勻、分散地把較多的剪力墻布置在結(jié)構(gòu)平面的外圍，適當(dāng)減少中間部位的剪力墻，可以更有效地發(fā)揮墻體的強(qiáng)度、提高結(jié)構(gòu)抗扭性能，達(dá)到其利用率的最優(yōu)化[5]。

剪力墻的分布鋼筋大多是依構(gòu)造要求配置，其數(shù)量難以進(jìn)一步降低，應(yīng)從邊緣構(gòu)件著手，減少其數(shù)量及配筋。如能盡可能多布置較為長肢的墻體，暗柱等邊緣構(gòu)件的數(shù)量及其縱向配筋率均可進(jìn)一步降低。

1.2 施工圖設(shè)計(jì)階段

在施工圖設(shè)計(jì)周期主要通過精細(xì)而合理的構(gòu)造措施，來實(shí)現(xiàn)對用鋼量的控制。其經(jīng)濟(jì)性可以較為直觀地看到，并且容易進(jìn)行量化的比較。在工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員常使用如下一些構(gòu)造措施（本文僅討論±0.00 m以上結(jié)構(gòu)部分，地下結(jié)構(gòu)不在本文論述范圍之內(nèi)）。

（a）剪力墻構(gòu)造配筋優(yōu)化。墻體豎向分布筋與水平分布筋并不一定要采用相同的直徑，滿足構(gòu)造要求及最小配筋率即可，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5001—12010）（以下簡稱《抗規(guī)》）第6.4.4條規(guī)定：抗震墻豎向和橫向分布鋼筋的直徑，均不宜大于墻厚的1/10且不應(yīng)小于8 mm；豎向鋼筋直徑不宜小于10 mm。對于軸壓比滿足《抗規(guī)》第6.4.5條相關(guān)規(guī)定的墻體，設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件即可。邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)亦建議采用多種規(guī)格的鋼筋組合，例如：內(nèi)墻非底部加強(qiáng)部位的400 mm×200 mm暗柱，抗震等級如為三級，按構(gòu)造邊緣構(gòu)件可配置4Φ12 mm+2Φ10 mm的縱筋。

（b）框架梁配筋優(yōu)化?！犊挂?guī)》第6.3.4條規(guī)定：沿梁全長頂面、底面的配筋，一、二級不應(yīng)少于2Φ14 mm，且分別不應(yīng)少于梁頂面、底面兩端縱向配筋中較大截面面積的1/4；三、四級不應(yīng)少于2Φ12 mm。筆者認(rèn)為，規(guī)范并未硬性要求框架梁上部鋼筋一律取支座的2 根角筋通長布置，亦無此必要。對于三、四級框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)支座負(fù)筋直徑較大時，可采取分離式配筋，以較小直徑（2Φ12 mm或2Φ14 mm）的架立筋拉通，并連接支座角筋，可以有效地減少鋼筋用量。另外，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（以下簡稱《混規(guī)》）第9.2.13條規(guī)定：梁的腹板高度不小于450 mm時，在梁的兩個側(cè)面應(yīng)沿高度配置縱向構(gòu)造鋼筋。每側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋的間距不宜大于200 mm，截面面積不應(yīng)小于腹板截面面積的0.1%，但當(dāng)梁寬較大時可適當(dāng)放松。不少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在實(shí)踐中普遍設(shè)置Φ12 mm@200 mm的腰筋，并按梁的總高計(jì)算需要的腰筋根數(shù)。而實(shí)際上，扣除樓板厚度之后，規(guī)范所要求的腹板高度是小于梁高的，對于寬度為200 mm的梁，設(shè)置Φ10@200 mm的腰筋亦能滿足最小配筋面積的要求。

（c）樓板配筋優(yōu)化。三級鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為360 N/mm2，而一級、二級鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為270 N/mm2、300 N/mm2。選用三級鋼筋可顯著提高用鋼量的節(jié)約率，因其強(qiáng)度分別為一級、二級鋼筋的133.3%和120%，而價(jià)格僅僅約為前兩者的105%[6]。

接下來，我們以實(shí)際工程為例，看看上述設(shè)計(jì)措施的應(yīng)用可以對減少用鋼量產(chǎn)生怎樣的實(shí)際效果，并從經(jīng)濟(jì)性角度稍作探討。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

圖1 A工程標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置（優(yōu)化前）

A工程位于上海市閔行區(qū)浦江鎮(zhèn)某地塊，為1 棟16 層保障性住宅。圖1為該工程的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置。建筑設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑物為剪力墻結(jié)構(gòu)，高度為44.80 m（不含屋頂機(jī)房層）。原施工圖采用的構(gòu)造原則為：框架梁上部鋼筋取支座的2 根角筋通長布置，腰筋統(tǒng)一采用Φ12 mm，樓板最小配筋為Φ8 mm@200 mm，且雙面雙向拉通。

2.2 優(yōu)化方案

我們修改原始計(jì)算模型，對剪力墻在平面布置上進(jìn)行了如下調(diào)整：增加外圍結(jié)構(gòu)剛度，在山墻、平面凹角等部位增設(shè)剪力墻；適當(dāng)減少內(nèi)部區(qū)域的墻體分布；在與建筑專業(yè)達(dá)成一致的前提下，通過合理優(yōu)化房間門、窗位置等方式，延長原有短肢剪力墻的墻肢長度，盡可能使其達(dá)到墻身厚度的8 倍以上；對于電梯井道周圍過多的剪力墻進(jìn)行合理減少，代之以連梁加填充墻的形式完成圍護(hù)。調(diào)試模型，使周期、位移等各項(xiàng)控制指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范要求，生成新的配筋簡圖并依此完成施工圖。圖2為優(yōu)化后的標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置。

圖2 A工程標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置（優(yōu)化后）

在構(gòu)造措施方面，對施工圖上的構(gòu)造原則進(jìn)行了如下優(yōu)化（圖3、圖4）：暗柱如位于內(nèi)墻非底部加強(qiáng)區(qū)，其截面尺寸為400 mm×200 mm的，原按6Φ12 mm配置的縱筋減小為4Φ12 mm+2Φ10 mm；當(dāng)梁支座負(fù)筋≥Φ16 mm時，角筋不再通長布置，梁上部架立鋼筋改用2Φ12 mm拉通；腰筋全部由Φ12 mm@200 mm改為Φ10 mm@200 mm，且嚴(yán)格按照腹板高度計(jì)算所需腰筋的根數(shù)；板面鋼筋亦按最小配筋率改用分離式配筋，厚100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm樓板分布筋為Φ6 mm @180 mm、Φ6 mm@170 mm、Φ6 mm @150 mm、Φ8 mm @200 mm、Φ8 mm@200 mm。

圖3 部分暗柱配筋示例

2.3 用鋼量分析

分別計(jì)算優(yōu)化前、后的用鋼量，結(jié)果見表1。

圖4 部分框架梁配筋示例

表1 優(yōu)化前、后的用鋼量對比[8]

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

表1中的數(shù)據(jù)為該住宅樓某一標(biāo)準(zhǔn)層的含鋼量計(jì)算結(jié)果。為確保相關(guān)數(shù)據(jù)具有可比性，計(jì)算中使用結(jié)構(gòu)投影面積作為樓層面積。對比表1數(shù)據(jù)，不難看出：在采用了上述構(gòu)造措施后，單方含鋼量有了較為明顯的下降，差值約為1.56 kg/m2。以某小區(qū)建筑面積150 000 m2、鋼材市場價(jià)格5 000 元/t計(jì)算，合計(jì)可節(jié)省約116.85 萬元的鋼材成本。

另外，選擇合適的鋼筋連接方式同樣能帶來較好的經(jīng)濟(jì)性。對于分離式配筋的框架梁，工程實(shí)踐中多采用直螺紋套筒連接、閃光對接焊等工藝來實(shí)現(xiàn)支座負(fù)筋與較小直徑架立鋼筋的連接。以每棟樓17 層、每層40 處框架梁計(jì)，亦可節(jié)省下近萬元的工程費(fèi)用。

3 結(jié)語

在深刻理解了規(guī)范條文的前提下，選擇了合理的構(gòu)造措施，采用了多種途徑對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以較為有效地減少結(jié)構(gòu)的含鋼量，提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、降低造價(jià)。