高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅配筋設計經(jīng)濟性控制探討

［摘要］文章以廣西某高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅為例，通過在結(jié)構(gòu)設計中對設計方案進行選型和優(yōu)化，并對剪力墻、梁、板等構(gòu)件的配筋設計采取必要的技術(shù)措施，最終使該項目結(jié)構(gòu)配筋設計的經(jīng)濟性得到有效的控制。經(jīng)核算，該項目上部結(jié)構(gòu)單位面積含鋼量為49.7公斤，滿足了業(yè)主對本項目含鋼量的限額要求，得到了業(yè)主認可。

［關(guān)鍵詞］高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；配筋設計；經(jīng)濟性

［作者簡介］鄭斌，廣西建設職業(yè)技術(shù)學院工程師、講師，研究方向：房屋結(jié)構(gòu)設計與混凝土結(jié)構(gòu)，廣西南寧，530003

［中圖分類號］ TU972［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1007-7723（2008）09-0146-0003

一、引言

伴隨著我國房地產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅在工程實踐中的應用日益增加，在結(jié)構(gòu)設計中對剪力墻結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設計方案優(yōu)化，并對剪力墻、梁、板等構(gòu)件的配筋采取必要的技術(shù)措施，對于節(jié)約建設成本具有現(xiàn)實意義。早期由于對剪力墻的各種結(jié)構(gòu)形式研究不夠深入，對其力學性能的了解也不夠深刻，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，設計師在設計過程中往往需要采用較為保守的方法調(diào)整計算結(jié)果，并采取加強的構(gòu)造措施提高構(gòu)件強度。這樣處理既不經(jīng)濟也不一定能真正保證安全。本文以南寧市某高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅為工程背景，對結(jié)構(gòu)配筋設計經(jīng)濟性控制方法進行探討，以尋求集約型高層剪力墻結(jié)構(gòu)設計的有效方法。

二、工程概況

該項目為南寧某房地產(chǎn)公司開發(fā)的高層住宅，總建筑面積17138m2。地下1層，高度為4.7m，建筑面積2272 m2；地上16層，高度49m，建筑面積14866 m2。該住宅項目包含4棟塔樓，工程主體為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)使用年限為50年。本工程抗震設防烈度為六度，建筑抗震設防類別為丙類，地下室框架柱抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為四級，基礎(chǔ)設計等級為乙級。地震分組一組，設計地震加速度為0.05g，場地土類別Ⅱ類。地下室混凝土底板和外墻防水等級二級。本工程地下室除部分設備用房外，其余為平戰(zhàn)結(jié)合六級人防。按“抗規(guī)”和“高規(guī)”，結(jié)構(gòu)按抗震設防烈度為6度(0.05g)的要求采取抗震構(gòu)造措施。基礎(chǔ)設計情況見表1。

基本風壓值為0.35kN/m2，風載體型系數(shù)取1.4，地面粗糙度類別為A類。根據(jù)以上基本設計資料，設計時采取各種技術(shù)手段對單位面積配筋量。

三、結(jié)構(gòu)選型與優(yōu)化設計

（一）結(jié)構(gòu)選型

結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性首先應滿足結(jié)構(gòu)設計基本功能，即安全性、適用性和耐久性，而選擇適合的結(jié)構(gòu)類型對結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)濟性也起著重要的作用。隨著人們對高層住宅平面與空間要求的提高，原來普通框架結(jié)構(gòu)的露梁露柱、普通剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑空間的嚴格限定與分隔已不能滿足人們對住宅空間的要求。于是在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，逐步發(fā)展形成了能適應人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式，即“短肢剪力墻結(jié)構(gòu)”和“異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)”型式。

大量的試驗資料和理論分析表明，異形柱的破壞形態(tài)為：彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等。影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、柱凈高與截面肢長比（剪跨比），配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復雜，設計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。對于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的設計計算，因其是剪力墻大開口而成，所以基本上與普通剪力墻結(jié)構(gòu)分析相同，可采用三維桿系簿壁柱空間分析方法或空間桿墻組元分析方法，其中空間桿墻組元分析方法計算模型更符合實際情況，精度較高。目前有建筑科學研究院的TBSSAP、SATWE，清華大學的TUS，廣東省建院的SSW等結(jié)構(gòu)軟件均可進行相關(guān)運算。

在進行了以上分析比較后，按《高層建筑結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)范》的要求，結(jié)合本項目建筑平面布置復雜，平面轉(zhuǎn)角較多，且建筑層數(shù)為16層，建筑高度為49m的特點，采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利。短肢剪力墻既保留了異形柱不凸出墻面的優(yōu)點，又克服了異形柱框架抗震性能不理想等缺點。與普通的剪力墻相比，短肢剪力墻門窗洞口更大，可以較好地滿足住宅建筑的采光與通風要求，增加使用面積，造價更低，結(jié)構(gòu)自重更小。這種結(jié)構(gòu)體系可利用中部的豎向交通區(qū)設置較多的剪力墻，組成一個較為完整的或基本完整的筒體，在筒體的外圍布置混凝土剪力墻。剪力墻在建筑上起到對建筑平面的分隔作用。在結(jié)構(gòu)上，既可以承受豎向荷載，又可以抵抗水平地震作用。很明顯短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)布置與建筑平面的劃分較容易達成一致，更易于實現(xiàn)。本工程最終采用了短肢剪力墻的結(jié)構(gòu)型式。

（二）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

在結(jié)構(gòu)類型確定下來以后，即可進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計對提高房屋結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性十分重要，具體可以從以下幾方面進行：

1.由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)相對于普通剪力墻結(jié)構(gòu)其抗側(cè)剛度相對較小，設計時宜布置適當數(shù)量的長肢墻，或利用電梯、樓梯間形成剛度較大的內(nèi)筒，以避免設防烈度下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形。

2.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位是建筑平面外邊緣的角部處的墻肢，當有扭轉(zhuǎn)效應時，會加劇已有的翹曲變形，使其墻肢首先開裂，應加強其抗震構(gòu)造措施，如減小軸壓比，增大縱筋和箍筋的配筋率。

3.高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下，顯現(xiàn)整體彎曲變形為主，底部外圍小墻肢承受較大的豎向荷載和扭轉(zhuǎn)剪力，由一些模型試驗反映出外周邊墻肢容易開裂，因而對外周邊墻肢應加大厚度和配筋量。加強小墻肢的延性抗震性能，短肢墻應在兩個方向上均有連接，避免形成孤立的“一”字形墻肢。

4.各墻肢分布要盡量均勻，使其剛度中心與建筑物的形心盡量接近，必要時用長肢墻來調(diào)整剛度中心。

5.高層結(jié)構(gòu)中的連梁是一個耗能構(gòu)件，在短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中，墻肢剛度相對減小，連接各墻肢間的梁已類似普通框架梁，而不同于一般剪力墻間的連梁，不應在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào)，使其設計內(nèi)力降低；應按普通框架梁要求，控制混凝土壓區(qū)高度，其梁端負彎矩鋼筋可由塑性調(diào)幅70%～80%來解決，按強剪弱彎、強柱弱梁的延性要求進行計算。

經(jīng)優(yōu)化設計后最終標準層剪力墻布置如圖1所示。通過對結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化后的計算結(jié)果分析，可以對結(jié)構(gòu)的動力特性、結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力特性有一個全面的評價。動力特性：結(jié)構(gòu)自振周期接近周期經(jīng)驗公式計算的結(jié)果，說明結(jié)構(gòu)剛度適中，滿足“高規(guī)”的相關(guān)要求。結(jié)構(gòu)變形：結(jié)構(gòu)的頂點位移變形較小，說明避免了頂部的鞭梢效應，且結(jié)構(gòu)的層間位移角較小，最大層間位移角1/1645，小于“高規(guī)”第4.6.3條的規(guī)定。 內(nèi)力特性：軸壓比在0.5以下的占62%，雖然離規(guī)范限值存在一定差距，但也基本發(fā)揮了剪力墻的力學性能。

四、剪力墻、梁、板等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)配筋控制

（一）剪力墻的配筋控制

在正確的結(jié)構(gòu)選型及計算后，可通過截面內(nèi)鋼筋的配筋構(gòu)造來確保剪力墻的受力性能和經(jīng)濟性。由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點，所有剪力墻計算結(jié)果都很小，基本上全部采用構(gòu)造配筋。而根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.1.2.6條規(guī)定：抗震設計時，短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率，底部加強部位不宜小于1.2%，其他部位不宜小于1.0%。這就意味著即使按構(gòu)造配筋，短肢剪力墻的配筋量也非常之大。因此，只有在一定程度上合理地減少短肢剪力墻數(shù)量，才能有效地降低剪力墻的配筋量。本工程采取了以下方法控制短肢剪力墻數(shù)量：一是在滿足設計規(guī)范的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計調(diào)整剪力墻尺寸，盡可能地減少短肢剪力墻的數(shù)量；二是盡可能地控制短肢剪力墻墻肢的厚度不要過厚；三是隨著建筑物高度的提升，逐步收減剪力墻墻肢厚度，使得原來的短肢剪力墻變成一般剪力墻。通過以上方法處理后，按短肢剪力墻進行配筋的剪力墻大大減少了，從而使剪力墻的配筋量整體下降。

（二）梁的結(jié)構(gòu)配筋控制

對梁的配筋控制，首先是控制梁的最大配筋率。在抗震規(guī)范6.3.3.1規(guī)定梁的縱向受拉鋼筋的配筋率不應大于2.5％，且計入受壓鋼筋的梁端混凝土的受壓區(qū)高度和有效受壓區(qū)高度之比，一級不應大于0.25，二三級不應大于0.35。如果按0.35反算配筋率的話，配筋率為1.4％左右。所以，控制梁的最大配筋率在1.5%左右不僅有利于梁的內(nèi)力重分配，也容易形成塑性破壞，而且還對梁配筋的經(jīng)濟性有利。其次，在進行梁配筋時采用節(jié)約配筋法，在一定程度上也能降低梁的配筋量。具體做法是將梁截面角部負彎矩受力鋼筋在梁跨1/3Ln處斷開，用2根12或14的架立鋼筋與之焊接連接，形成鋼筋籠。

（三）板的結(jié)構(gòu)配筋控制

為了降低樓板鋼筋的配筋量，本工程樓板鋼筋采用CRB550冷軋帶肋鋼筋。依據(jù)廣西建筑標準設計，桂02G301規(guī)定，CRB550冷軋帶肋鋼筋作為受彎構(gòu)件主筋，其抗拉強度標準值為550N/mm2，抗拉強度設計值為340N/mm2。很明顯強度值比HPB235級鋼筋高50%以上，而冷軋帶肋鋼筋的加工費用為HPB235鋼筋每噸價格的5%左右，因此配筋結(jié)果明顯要比采用HPB235級鋼筋要少。

五、結(jié)語

工程項目設計在技術(shù)上是否可行、工藝是否先進、經(jīng)濟是否合理、結(jié)構(gòu)是否安全可靠等，均將決定工程項目建成后的功能和價值，以及工程實體的質(zhì)量。優(yōu)化設計是結(jié)構(gòu)設計的首要步驟，是控制工程成本的有效方法。在工程項目結(jié)構(gòu)設計時要正確處理好技術(shù)與經(jīng)濟的對立統(tǒng)一關(guān)系。這就要求工程設計人員認真做好多方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，優(yōu)選出最佳方案，采取必要的技術(shù)措施，從而主動地影響工程投資，以達到有效地控制工程成本的目的。

本工程采取了以上各項技術(shù)措施后，結(jié)構(gòu)配筋的經(jīng)濟性得到了有效控制。最終經(jīng)過核算，該項目上部結(jié)構(gòu)單位面積含鋼量僅為49.7公斤，得到業(yè)主的高度認可。

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