某框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

任言宏　趙建敏　王東方

(1.山東萊陽盛隆建筑工程有限公司，山東 萊陽　265200；　2.北京航力巍筑工程技術(shù)咨詢有限公司，北京　100022)

?

某框架—剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

任言宏1趙建敏2王東方2

(1.山東萊陽盛隆建筑工程有限公司，山東 萊陽265200；2.北京航力巍筑工程技術(shù)咨詢有限公司，北京100022)

結(jié)合某框架—剪力墻結(jié)構(gòu)工程實例，以結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性為前提，介紹了該結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本思路，從地下室、地基基礎(chǔ)、擋土墻、剪力墻等方面，闡述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的調(diào)整方案，使該結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加安全、經(jīng)濟、合理。

剪力墻，框架柱，地基基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域比較偏重于計算機電算結(jié)果，因此，在對設(shè)計程序假定的理解、輸入數(shù)據(jù)的精確性、計算模型的簡化等方面對結(jié)構(gòu)設(shè)計師提出了更高的要求。而且計算機中很多的數(shù)據(jù)檢查不太直觀，這造成設(shè)計過程中會出現(xiàn)或多或少的失誤，通常結(jié)構(gòu)設(shè)計師為保障結(jié)構(gòu)安全，往往會人為放大程序的設(shè)計結(jié)果，這不但會造成較大的浪費，還可能造成設(shè)計成果違背強柱弱梁、強剪弱彎等傳統(tǒng)的設(shè)計概念[1]。同時結(jié)構(gòu)設(shè)計師經(jīng)常偏向于使用易于建模的結(jié)構(gòu)方案、基礎(chǔ)形式等，而忽略一些計算機處理復(fù)雜但安全性、經(jīng)濟性更優(yōu)的方案，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計會造成很多不利的影響。本文以某典型框架—剪力墻項目為例，針對已有設(shè)計成果進行仔細研究，從安全性與經(jīng)濟性上提出了合理的優(yōu)化設(shè)計建議。

1　工程概況

本工程為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，總建筑面積4.1萬m2，地上11層(不含機房層)，地下1層?？拐鹪O(shè)防烈度7度(0.15g)，所屬地震分組第一組，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為一級。采用梁板式筏形基礎(chǔ)。地下1層建筑層高為4.2 m，地上1層層高5.6 m，2層4.2 m，3層4.3 m，設(shè)備層2.2 m，4層4.1 m，5層以上3.9 m。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的基本思路

結(jié)構(gòu)安全性和造價經(jīng)濟性是結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩大基本要求，但二者往往較難做到平衡統(tǒng)一，或偏于不安全，或偏于浪費，或浪費的同時還伴有安全隱患。然而基于方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計往往能夠兼顧結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟性的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的目的是為了消除可能存在的安全隱患，并在滿足安全性的前提下節(jié)省造價。

本項目結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化從結(jié)構(gòu)安全性復(fù)核、建筑做法優(yōu)化、基礎(chǔ)方案優(yōu)化、構(gòu)件精細化設(shè)計、計算參數(shù)復(fù)核等方面進行。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計安全(質(zhì)量)隱患復(fù)核

經(jīng)復(fù)核，該結(jié)構(gòu)設(shè)計存在如下安全隱患。

3.1隔墻荷載考慮不足

內(nèi)隔墻選用TB鋼絲網(wǎng)架珍珠巖夾芯板70型，成墻后重量135 kg/m2，計算模型中各層隔墻線荷載輸入值均為4 kN/m2，荷載考慮不足，建議按照實際隔墻高度進行線荷載復(fù)核調(diào)整。

例如首層，梁高0.65 m，線荷載q=(5.6-0.65)×0.135×9.8=6.5 kN/m2。

3.2懸挑梁安全隱患

3.3裂縫控制安全隱患

13.550標高以下(含13.550樓面)混凝土強度等級均為C40，不利于基礎(chǔ)及地下室外墻裂縫控制，經(jīng)復(fù)核，基礎(chǔ)及地下室外墻混凝土強度等級采用C30即可滿足要求。建議梁板、基礎(chǔ)及地下室外墻混凝土強度等級調(diào)整為C30。

在對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，對于原結(jié)構(gòu)設(shè)計安全隱患或質(zhì)量隱患的復(fù)核是極其重要的一個方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是在保證結(jié)構(gòu)安全并消除原設(shè)計結(jié)構(gòu)安全隱患的前提下進行的。

4　地下室頂板做法優(yōu)化調(diào)整

原設(shè)計地下室頂板降板600 mm，回填CL7.5輕集料混凝土。按建筑圖，地下1層6～18/L～Y范圍為變配電室，給排水管線不能穿越；地下1層1～11/Y～P，1～6/L～Y范圍為庫房，給排水管線也不宜穿越。除了上述房間之外，其他房間排水管線均可以穿越，建議不降板，附加恒載可由10 kN/m2減值2 kN/m2，地下1層頂梁、板截面和配筋可減小，傳至基礎(chǔ)的荷載也減小。原設(shè)計CL7.5輕集料混凝土，容重為16 kN/m3，造價較高，建議調(diào)整為容重為16 kN/m3的灰土墊層，材料價格降低，經(jīng)濟性好。對建筑做法進行細致推敲，可以降低建筑材料造價；通過對降板范圍的優(yōu)化，減少了結(jié)構(gòu)荷載，從而不但使結(jié)構(gòu)造價降低，還能提高結(jié)構(gòu)的安全性。

5　地基基礎(chǔ)方案優(yōu)化調(diào)整

原設(shè)計基礎(chǔ)采用梁板式筏板基礎(chǔ)，地基采用天然地基，持力層為粉質(zhì)粘土，地基承載力特征值為180 kPa。基礎(chǔ)梁主要截面尺寸為0.9 mm×(1.3 m～2 m)，筏板厚度為0.6 mm，基底標高為-7.200，筏板與基礎(chǔ)梁底平。

原基礎(chǔ)方案的土方開挖及回填量、鋼筋用量、混凝土用量、模板用量均偏大，且施工便利性差。

建議的基礎(chǔ)方案為：柱下采用獨立基礎(chǔ)，剪力墻(包括擋土墻)下采用條形基礎(chǔ)，獨立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)厚度0.9 m～1 m，基礎(chǔ)形式為錐形；其余范圍采用防水板，厚度為0.25 m，防水板與獨立基礎(chǔ)底平，基礎(chǔ)底標高調(diào)整至-6.200。獨立基礎(chǔ)及條形基礎(chǔ)下采用CFG樁復(fù)合地基進行地基處理，其余范圍不處理[2]。

按照地質(zhì)勘察報告提供的設(shè)計參數(shù)，經(jīng)核算，當(dāng)采用400 mm樁徑，14.5 m樁長，3.5倍樁間距進行地基處理后，CFG樁復(fù)合地基承載力為520 kPa，深度修正后的承載力為540 kPa，地基土壓縮模量的計算按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》要求進行計算。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整之后，地基承載力及變形均滿足規(guī)范要求。

優(yōu)化前后經(jīng)濟指標對比見表1。

表1　優(yōu)化前后經(jīng)濟指標對比表

基礎(chǔ)方案調(diào)整之后，基礎(chǔ)造價約節(jié)省90元/m2(按全樓建筑面積核算)，經(jīng)濟性很好，且便于施工?？梢?，方案性的優(yōu)化在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中的效益是最明顯的。

6　地下室擋土墻優(yōu)化調(diào)整

1)取消墻下基礎(chǔ)梁和墻頂暗梁。原設(shè)計地下室擋土墻下設(shè)基礎(chǔ)梁，截面尺寸為900 mm×1 300 mm，通長上筋為722，通長下筋為722，箍筋為10@100/150(6)，腰筋為418。擋土墻頂設(shè)暗梁，縱筋上下各320，箍筋為10@150。擋土墻下基礎(chǔ)梁和擋土墻頂暗梁無設(shè)置必要，建議直接取消。2)擋土墻厚度和配筋調(diào)整。原設(shè)計擋土墻墻體厚度為350 mm，擋土側(cè)通長鋼筋16@150，非擋土側(cè)為16@150，水平分布筋為14@150，原設(shè)計墻厚及配筋均偏大。經(jīng)核算，擋土墻墻厚可調(diào)整為300 mm，配筋調(diào)整如下：擋土側(cè)通長鋼筋12@200，附加鋼筋為14@200，非擋土側(cè)為12@150，水平分布筋為10@150。對于總長度為150 m左右的擋土墻，一個截面圖就決定了擋土墻的造價，所以精細化設(shè)計更是非常重要。

7　剪力墻設(shè)計優(yōu)化調(diào)整

1)剪力墻厚度、配筋。原設(shè)計剪力墻厚度、配筋均偏大，對墻厚進行適當(dāng)調(diào)整，配筋進行精細化設(shè)計。在底部加強部位及以上選取有代表性墻體，進行優(yōu)化前后墻厚和配筋對比，見表2。

表2　優(yōu)化前后典型墻厚和配筋對比

2)邊緣構(gòu)件。邊緣構(gòu)件實配縱筋和箍筋比計算需要和構(gòu)造要求放大較多，對其縱筋進行精細化設(shè)計，縱筋節(jié)省比例為20%～35%，箍筋節(jié)省比例為20%～30%。

3)連梁高度和配筋。連梁高度過高，跨高比小，且縱筋過大，不符合抗震概念設(shè)計要求，適當(dāng)減小連梁高度，連梁縱筋配筋由最大抗剪能力對應(yīng)的彎矩確定，可保證連梁的抗震能力[3]，且節(jié)省材料，同時還提高了結(jié)構(gòu)的抗震耗能能力，從而具有更高的抗震安全性。

8　框架柱和框架梁優(yōu)化調(diào)整

1)框架柱箍筋。按整體計算參數(shù)，框架柱箍筋強度等級為一級鋼(HPB235)，而框架柱實配箍筋采用三級鋼(HRB400)，計算參數(shù)與施工圖不符，導(dǎo)致框架柱箍筋偏大，不經(jīng)濟。將框架柱箍筋調(diào)整為三級鋼(HRB400)重新進行整體計算，對施工圖中框架柱箍筋進行調(diào)整，箍筋量可節(jié)省30%左右。在對結(jié)構(gòu)進行整體計算時，一個參數(shù)取值不當(dāng)，可能會導(dǎo)致大量的成本增加，進行設(shè)計優(yōu)化時，結(jié)構(gòu)整體計算模型中計算參數(shù)的復(fù)核非常必要。2)框架梁寬度和箍筋。原設(shè)計框架梁寬度為350 mm，箍筋為四肢。經(jīng)核算，梁寬均可調(diào)整為300 mm，箍筋可調(diào)整為兩肢箍均可滿足要求，經(jīng)濟性好。

9　結(jié)語

本項目通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，在解決了安全隱患的同時，節(jié)省工程造價約150元/m2，是一個從多維度進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的典型案例。1)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是以滿足安全性要求為前提，在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中對于消除結(jié)構(gòu)安全隱患更加重視。2)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，方案性優(yōu)化的效益是最明顯的，在不降低結(jié)構(gòu)安全度的基礎(chǔ)上，既可以節(jié)省較多的工程造價，又可以提高施工便利性或節(jié)省工期。在本項目中，地基基礎(chǔ)方案優(yōu)化節(jié)省的工程造價占總造價比例的60%。3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，對結(jié)構(gòu)整體計算模型參數(shù)的復(fù)核至關(guān)重要。如框架柱箍筋計算模型中是HPB235，施工圖中是HRB400，一個參數(shù)弄錯了，就會帶來很大的浪費。4)精細化設(shè)計既可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，又可以節(jié)省工程造價。如地下室外墻一個截面就決定了整個地下室外墻的造價，所以對精細化設(shè)計的要求更高。5)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，吃透建筑條件也非常重要。如地下室頂板建筑做法，通過了解設(shè)計意圖，減少了覆土范圍，并調(diào)整了回填材料，不但節(jié)約了結(jié)構(gòu)造價，還提高了結(jié)構(gòu)的安全性。6)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是要讓結(jié)構(gòu)滿足適度的安全度，盲目增加配筋或截面的情況，不但會提高工程造價，還會因為違背了強柱弱梁、強剪弱彎等抗震概念，造成結(jié)構(gòu)的安全隱患，因此需要進行調(diào)整，使設(shè)計更加安全、合理、經(jīng)濟。

[1]程懋堃.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新思維設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2]閆明禮，張東剛.CFG樁復(fù)合地基技術(shù)及工程實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]黃銳，莫庸.剪力墻連梁在高烈度區(qū)抗震設(shè)計中若干問題的討論[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(4)：22-25.

Design optimization of the frame-shear wall structure

Ren Yanhong1Zhao Jianmin2Wang Dongfang2

(1.ShandongShenglongConstructionEngineeringCo.,Ltd,Laiyang265200,China;2.BeijingA&CEngineeringTechnologyConsultingCo.,Ltd,Beijing100022,China)

Combining with the frame-shear wall structure engineering example, taking the structural design safety as the orientation, the paper introduces the basic concept of the structural optimization design, and describes the adjustment scheme of structural optimization design from aspects of basement, foundation base, retaining wall and shear wall, so as to make the structural design more safe, economic and rational.

shear wall, frame column, foundation base, structural design

1009-6825(2016)19-0036-02

2016-04-24

任言宏(1973- )，男，工程師

TU398.2

A