高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析

應(yīng)君

摘要：本文以高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析為課題，分析研究了高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，探討了高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題以及高層剪力墻的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)，并根據(jù)案例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明了，立足規(guī)范，精心計(jì)算，巧妙構(gòu)造，優(yōu)化設(shè)計(jì)才能達(dá)到有效地節(jié)約能源，降低造價(jià)的目的。希望為類似的工程設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑；剪力墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；經(jīng)濟(jì)分析

引言

高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析是我國(guó)建筑行業(yè)主要施工的環(huán)節(jié)之一，是工業(yè)使用的施工材料，其中高層剪力墻結(jié)構(gòu)的構(gòu)造可以做施工使用的材料。通過(guò)選擇高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析加強(qiáng)高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析管理和預(yù)控預(yù)算等調(diào)查研究做出了分析，只有“科學(xué)建筑、安全施工、降能降耗、低能高效”，才能使我國(guó)高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析得到可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)選擇墻體材料、把好我國(guó)高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)分析環(huán)節(jié)、加強(qiáng)施工管理和預(yù)控預(yù)算等調(diào)查研究。

一、高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、剪力墻結(jié)構(gòu)方案的選擇

在剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，方案的選擇和優(yōu)化起著非常重要的作用，因此一定要對(duì)方案的優(yōu)化給予重視，不能有絲毫疏忽。在方案的選擇階段首先要考慮合理性，建筑的結(jié)構(gòu)布置和建筑的功能要相契合，一定的結(jié)構(gòu)要為一定的功能服務(wù)，要有針對(duì)性，不要南轅北轍。其次要考慮建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，控制總體成本，結(jié)合建筑層數(shù)制定合理的方案。對(duì)于不同層數(shù)的建筑采用各自合適的剪力墻結(jié)構(gòu)，提供合理科學(xué)的預(yù)算，這樣才能夠控制成本，保證資金使用最優(yōu)化，保證建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。剪力墻結(jié)構(gòu)方案的選擇能夠保證科學(xué)性、合理性和經(jīng)濟(jì)性，這個(gè)方案就是比較適宜的方案，接下來(lái)就可以根據(jù)方案進(jìn)行下一步的施工了。

2、剪力墻的結(jié)構(gòu)布置

剪力墻結(jié)構(gòu)在概念階段的優(yōu)化，要從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數(shù)量、長(zhǎng)度、厚度，以“周邊、對(duì)稱、成對(duì)、封閉”的原則去布置剪力墻，可以得到較大的平面剛度和抗扭剛度。具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)采用以下措施：強(qiáng)周邊、弱中部；多均勻長(zhǎng)墻，少短墻；多L形，T形、十字形墻肢，少?gòu)?fù)雜形狀；沿高度均勻變化；各墻肢軸壓比接近并盡量靠近相應(yīng)結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)軸壓比限值。在確定剪力墻數(shù)量、長(zhǎng)度、厚度時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)控制其基本自振周期，一般為0.05～0.08n（n為結(jié)構(gòu)總層數(shù)）較為適宜，同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)盡可能接近規(guī)范要求的層間位移角限值，如計(jì)算結(jié)果相差太多，說(shuō)明剪力墻結(jié)構(gòu)剛度較大，剪力墻布置數(shù)量太多，應(yīng)適當(dāng)減少墻體數(shù)量。結(jié)構(gòu)的剛度與剪力墻長(zhǎng)的三次方成正比，與厚度的一次方成正比，因此減小剪力墻截面厚度即可以有效減少材料用量，又不至于嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的剛度。一般來(lái)講，剪力墻的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足剛度及穩(wěn)定性的前提下，盡量減薄，達(dá)到減少剪力墻材料用量節(jié)約造價(jià)的目的。

二、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

1、有效控制抗側(cè)剛度

剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不宜過(guò)大，若抗側(cè)剛度過(guò)大，則剪力墻結(jié)構(gòu)的周期會(huì)相應(yīng)的變小且建筑受地震影響也較大

2、科學(xué)布置剪力墻的構(gòu)造配筋

由于剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體大多數(shù)都是構(gòu)造配筋，為避免結(jié)構(gòu)延性差，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體的構(gòu)造配筋不宜太低。

3、合理控制剪力墻的數(shù)量

要合理控制同一建筑中的剪力墻數(shù)目，不宜過(guò)多也不宜過(guò)少，要做到數(shù)量適中，假如剪力墻過(guò)多，會(huì)增加建筑物本身的重量容易造成地基塌陷，影響建筑物安全，而且也會(huì)造成金錢(qián)、時(shí)間的浪費(fèi)。

四、案例

1、工程概況

某高層建筑，層高30層，地下2層地上28層，地下兩層為儲(chǔ)藏室，地上為普通住宅。建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，剪力墻的抗震等級(jí)為二級(jí)，地下二層為甲類防空地下室，級(jí)別均為6級(jí)二等人員掩蔽?，F(xiàn)澆混凝土樓板、梁、抗震墻的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30；基礎(chǔ)、地下室外墻及人防頂板采用C30密實(shí)防水砼?；A(chǔ)、梁、板、抗震墻均采用HRB400級(jí)鋼筋。

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及以前做的QC成果，在此類工程中，墻（含暗柱）配筋量所占比例最大，約占全部用鋼量的46%，這其中暗柱的用鋼量又占?jí)τ娩摿康囊话胍陨?，而梁和現(xiàn)澆板的含鋼量基本穩(wěn)定在一個(gè)合理的水平上，所以采取措施降低墻的數(shù)量和配筋可以有效的節(jié)約鋼筋，這其中很重要的一點(diǎn)是通過(guò)與建筑專業(yè)的密切配合，通過(guò)認(rèn)真的方案比較，合理地布置墻和暗柱。我們通過(guò)與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)，將結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化，把各項(xiàng)指標(biāo)控制在規(guī)范允許的合理范圍內(nèi)。

2.1地下部分

1）筏板的優(yōu)化。筏板的厚度由沖切計(jì)算控制，在滿足沖切計(jì)算的前提下，我們比較了不同板厚時(shí)的配筋情況：其一，板厚=900毫米時(shí)，板配筋多為計(jì)算配筋，除通長(zhǎng)鋼筋外，還需附加第二排鋼筋；其二，板厚=1000毫米時(shí)，板配筋多為構(gòu)造配筋，個(gè)別較大跨度支座處需附加第二排鋼筋；其三，板厚=1100毫米時(shí)，板配筋均為構(gòu)造配筋，通長(zhǎng)筋配筋量較大。通過(guò)比較，我們選取板厚=1000毫米，最為經(jīng)濟(jì)合理。 同時(shí)，為了減少大體積砼的水化熱，我們優(yōu)先選擇強(qiáng)度等級(jí)較低的砼，為了減少裂縫的出現(xiàn)，優(yōu)先選擇小直徑密間距的配筋方式。經(jīng)過(guò)優(yōu)化，筏板配筋由D20@150，優(yōu)化為D18@150（D表示HRB400鋼筋）。

2）考慮人防頂板上50厚細(xì)石混凝土墊層的防護(hù)作用，將人防頂板厚度取為規(guī)范規(guī)定的最小值200毫米厚，減少了樓板構(gòu)造配筋。

3）通過(guò)計(jì)算，除人防墻以外的剪力墻絕大多數(shù)均為構(gòu)造配筋，對(duì)于這部分墻，在滿足規(guī)范要求的前提下，適當(dāng)減少墻的構(gòu)造配筋率，可有效降低工程造價(jià)。

4）暗柱大部分是構(gòu)造配筋，箍筋、拉筋和縱向鋼筋按照規(guī)范的最小配筋及最小直徑配置。

5）梁的優(yōu)化。首先是對(duì)于跨度較小的純簡(jiǎn)支梁，上部鋼筋采用2D10；其次是對(duì)于連續(xù)梁配筋，為了減少搭接，上部采用2根小直徑的通長(zhǎng)鋼筋，受力較大的支座根據(jù)計(jì)算配第二排支座附加鋼筋。

2.2地上部分

1）梁的優(yōu)化：首先對(duì)于跨度較小的純簡(jiǎn)支梁，上部鋼筋采用2D10；然后是對(duì)于連續(xù)梁配筋，為了減少搭接，上部采用2根小直徑的通長(zhǎng)鋼筋，受力較大的支座根據(jù)計(jì)算配第二排支座附加鋼筋。

2）通過(guò)計(jì)算，地上部分剪力墻配筋絕大多數(shù)為構(gòu)造配筋，對(duì)于這部分墻，在滿足規(guī)范要求的前提下，適當(dāng)減少墻的構(gòu)造配筋率，可有效降低工程造價(jià)。

3）暗柱大部分是構(gòu)造配筋，箍筋、拉筋和縱向鋼筋按照規(guī)范的最小配筋及最小直徑配置。

3、結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們將結(jié)構(gòu)主體含鋼量由50.6千克/平方米降低至48.1千克/平方米，每平米節(jié)約鋼材約2.5千克。

該住宅小區(qū)總建筑面積約40.5萬(wàn)平方米，共節(jié)約鋼材約1012.5噸，節(jié)約投資約400萬(wàn)元。 按照每噸鋼材煉制過(guò)程中碳排放量為2.5噸計(jì)算，所節(jié)約鋼材可減少碳排放量2531噸，為環(huán)境保護(hù)出了一分力。

注：1）D表示HRB400鋼筋，φ8表示HPB235鋼筋直徑為8毫米，φ12表示HRB335鋼筋直徑為12毫米。

2）短肢方向指墻肢長(zhǎng)度小于等于8倍墻厚長(zhǎng)度的方向，長(zhǎng)肢方向指墻肢長(zhǎng)度大于8倍墻厚長(zhǎng)度的方向。

結(jié)束語(yǔ)

總而言之，剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用合理的布置形式，調(diào)整和控制剪力墻結(jié)構(gòu)體系剛度，改善剪力墻的抗震性能。同時(shí)在具體的配筋方面，合理的運(yùn)用規(guī)范要求和計(jì)算結(jié)果，對(duì)特殊位置出現(xiàn)的鋼筋超配問(wèn)題進(jìn)行有針對(duì)性的處理，在保證整個(gè)結(jié)構(gòu)安全可靠的條件下，節(jié)省不必要的投資，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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