結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)約用鋼量的方法

呂敏

（淮北市建筑勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，安徽 淮北 235000）

1 前言

土建工程造價(jià)一般占建筑總造價(jià) (不包括工藝設(shè)備)的70%～80%;土建工程造價(jià)中,約75%為材料費(fèi),材料費(fèi)中40%～70%為鋼筋的費(fèi)用。所以嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)含鋼量進(jìn)行控制。交付建設(shè)單位既安全又經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)成果,是每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師要解決的現(xiàn)實(shí)問題。

2 結(jié)構(gòu)體系的布置

2.1 豎向構(gòu)件布置

建筑條件圖提出后，結(jié)構(gòu)工程師須對(duì)柱網(wǎng)大小和疏密是否合理給予判斷，剪力墻結(jié)構(gòu)還需在條件圖基礎(chǔ)上布置合理的剪力墻，在此結(jié)構(gòu)方案階段必須通過初步計(jì)算比較，提出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，這對(duì)整個(gè)工程鋼筋用量起著很重要的作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作就是合理地確定墻柱截面，墻柱一般是壓彎構(gòu)件，其配筋量在多數(shù)情況下搜采用構(gòu)造配筋，因此在其混凝土強(qiáng)度等級(jí)合理取值且滿足軸壓比要求的前提下，墻柱截面不宜過大，否則用鋼量將隨其截面增大而增加。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柱截面種類不宜過多是設(shè)計(jì)中的一個(gè)原則，在柱網(wǎng)疏密不均的建筑中，某根柱或?yàn)閿?shù)不多的若干根柱由于軸力大而需較大截面，而建筑考慮便于裝修則希望柱截面相同，此時(shí)如將所有柱截面放大以求其統(tǒng)一，勢(shì)必增加用鋼量。經(jīng)濟(jì)合理的做法應(yīng)是對(duì)個(gè)別柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以勁性鋼筋以提高其軸壓比，從而達(dá)到控制其截面尺寸的目的。這樣個(gè)別處理要比大面積增加用鋼量更科學(xué)經(jīng)濟(jì)。利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)最大，而內(nèi)部墻體則貢獻(xiàn)甚微。在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下，筒體內(nèi)部的剪力墻不宜過多過厚和過于零碎，否則會(huì)增加該部位墻體用鋼量且對(duì)結(jié)構(gòu)無大作用。從施工角度看，剪力墻形成的筒體越是完整劃一，施工就越方便。從受力角度看，筒體內(nèi)部隔墻若設(shè)梁支承于筒體外圍墻上，從而增大外圍墻的軸力避免受拉對(duì)其受力反而有利，尤其是內(nèi)筒的角部處。如果是高層建筑，墻柱截面還有一個(gè)收級(jí)問題。從節(jié)省用鋼量的角度出發(fā)，墻柱截面應(yīng)盡量小，只要符合模數(shù)，幾乎可以每層都收級(jí)，但從結(jié)構(gòu)整體特別是從施工角度考慮，一幢高層建筑的墻柱截面變化過于頻繁、截面種類過多卻不科學(xué)，這種只看局部不顧整體、因小失大的做法是不可取得。

2.2 水平構(gòu)件布置

通常指的是樓層梁板構(gòu)件，其布置原則首先是受力傳力合理，其次是使用效果（包括視覺效果）良好，最后才是用鋼量的節(jié)省，設(shè)計(jì)中不能本末倒置。對(duì)于公共建筑的樓層，如結(jié)構(gòu)單元兩向主軸尺寸相近，則以兩向井字次梁布置；如兩向主軸尺寸相差甚大，則區(qū)分主、次框架，以典型的交梁樓蓋布置，其中板跨控制在約3m，板厚取100m。對(duì)于住宅建筑，在3～4.5m正常開間情況下，樓板厚度為100～120mm，應(yīng)盡量增大板跨，而沒必要也不應(yīng)凡遇隔墻就設(shè)梁。當(dāng)采用高強(qiáng)鋼筋時(shí)，應(yīng)使板的配筋由內(nèi)力控制而非按構(gòu)造配筋，否則將得不償失。當(dāng)板跨小、布梁多時(shí)肯定用鋼量會(huì)增多，而且可能使樓面荷載多次傳遞，造成受力不合理。

2.3 構(gòu)件的配筋構(gòu)造

由于設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確具體的規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)都不應(yīng)違反，但在符合規(guī)范規(guī)定的前提下，仍有不少設(shè)計(jì)技巧能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。

2.3.1 柱：設(shè)計(jì)中應(yīng)通過混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理確定來控制其截面尺寸和軸壓比，使絕大部分柱段都是構(gòu)造配筋而非內(nèi)力控制配筋，此時(shí)柱主筋就可以按規(guī)定的最小配筋率或其略高的配筋率選擇主筋規(guī)格；至于柱箍筋的體積配筋率，由公式中可以看出，采用高強(qiáng)度鋼筋比低強(qiáng)度鋼筋更可節(jié)省用鋼量。因此，對(duì)于高層建筑的柱箍筋主張采用HRB335甚至HRB400，盡量避免采用HPB235也就不難理解了。結(jié)構(gòu)頂層邊柱尤其是抽掉中柱的大跨度邊柱，往往是大偏心受壓，其主筋配筋量由內(nèi)力控制且都較大，為了降低配筋率來節(jié)省用鋼量，通常采用改變柱豎向形狀的方法，如改變后仍難以承受其所承擔(dān)的彎矩，有時(shí)干脆可將梁柱頂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)支，使柱中心受壓或小偏心受壓，此時(shí)的邊柱也不必改變豎向形狀且截面可較小。

2.3.2 梁：配筋大多由內(nèi)力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。從梁主筋最小配筋率及梁箍筋配箍率中可以看出，要使梁的用鋼量不太高，一是混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜過高，二是采用高強(qiáng)度鋼筋，前者不僅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作為受彎構(gòu)件的梁的抗裂性能。對(duì)截面寬度較小的梁，當(dāng)配筋量較大時(shí)往往需要放2～3排鋼筋，無疑將減小梁的有效高度，因此當(dāng)不影響使用或建筑空間觀感時(shí)，梁寬宜略為放大，盡量布置成單排主筋，尤其是梁截面高度不太大時(shí)，以達(dá)到節(jié)省鋼筋的目的。

2.3.3 樓板;前面已提及現(xiàn)澆混凝土樓板的厚度通常在100mm以上，在此條件下宜將板跨增大，使其配筋為內(nèi)力控制而非構(gòu)造配筋，按此結(jié)果樓板配筋只有采用HRB335或HRB400才能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。對(duì)于大跨度雙向板，由于板底不同位置的內(nèi)力存在差異，設(shè)計(jì)中不宜以最大內(nèi)力處的配筋貫通整跨和整寬。為了節(jié)省用鋼量，一般應(yīng)分板帶配筋，其次當(dāng)板底筋間距為150mm或100mm時(shí)，不需將每根鋼筋都伸入支座，其中約半數(shù)鋼筋可在支座前切斷。當(dāng)板面需要采用貫通面筋時(shí)，貫通筋的配筋通常不需也不宜超過規(guī)定的最小配筋率，這樣既符合規(guī)范規(guī)定又節(jié)省用鋼量。

2.3.4 抗震墻：抗?fàn)帀Ψ譃榧訌?qiáng)部位和非加強(qiáng)部位兩類，高烈度區(qū)一般前者必須按約束邊緣構(gòu)件配筋，后者則按構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋。不管是節(jié)點(diǎn)區(qū)還是其余墻段，前者的配筋量均遠(yuǎn)大于后者，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分抗震墻的加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位，以達(dá)到減少用鋼量的目的。

抗震墻如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是內(nèi)力控制配筋而是構(gòu)造配筋，這樣其節(jié)點(diǎn)區(qū)主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋率都可按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率配置。即使因建筑物的重要性等級(jí)較高而需要提高其配筋率，也應(yīng)控制在較小的幅度內(nèi)，否則將大幅增加用鋼量。

2.3.5 構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件的設(shè)計(jì)首先是材料的選擇，比較常用的是 Q235(類似 A3)和 Q345（類似 16Mn）通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345；穩(wěn)定控制時(shí)，宜使用Q235。

構(gòu)件設(shè)計(jì)中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈性方法并不匹配。

當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級(jí)，并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過，如sap2000等。

3 結(jié)語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要做到節(jié)省用鋼量，對(duì)結(jié)構(gòu)工程師而言，就必須全方位考慮，宏觀上給予定性掌握，微觀上給予定量控制。首先，結(jié)構(gòu)方案布置和勾結(jié)案截面選擇階段，在滿足結(jié)構(gòu)和構(gòu)件受力變形合理的前提下要有利于節(jié)約用鋼量；其次在構(gòu)件具體配筋階段，在滿足規(guī)范對(duì)構(gòu)件的配筋構(gòu)造要求前提下，科學(xué)合理地對(duì)鋼筋規(guī)格作出選擇，以達(dá)到節(jié)省用鋼量為目標(biāo)。

[1]譚澤先.建筑結(jié)構(gòu)含鋼量的研究[J].建筑科學(xué),2007(23)9:44-47.

[2]黃朱功.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的含鋼量控制[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2009(262)16:108-109.