新區(qū)劃圖雙參數(shù)調(diào)整對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)土建成本的影響1

張 波 陳學(xué)良 楊曉寧 邱利軍 李宗超

1）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

2）河北建筑工程學(xué)院，土木工程學(xué)院，河北張家口 075000

3）中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，石家莊 050000

引言

歷次破壞性地震的相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析論證了房屋及建筑物倒塌是造成人員傷亡的主要原因，因此，根據(jù)地震區(qū)劃圖對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗震設(shè)防是必要的。2016 年實(shí)施的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2016）相對(duì)于2001 年版區(qū)劃圖（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2004）變化很大，其以抗倒塌為編圖的基本原則，采用雙參數(shù)調(diào)整原則，提出“四級(jí)地震作用”，并取消不設(shè)防區(qū)，全國(guó)設(shè)防參數(shù)整體提高?？拐鹪O(shè)防烈度、地震動(dòng)峰值加速度、反應(yīng)譜特征周期和反應(yīng)譜平臺(tái)值等地震動(dòng)參數(shù)的改變均會(huì)影響工程結(jié)構(gòu)的土建成本。

目前關(guān)于工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防研究以設(shè)防烈度的影響居多。韓淼等（2009）和張海等（2016）分析比較了不同抗震設(shè)防烈度下6 層框架結(jié)構(gòu)土建成本，發(fā)現(xiàn)提高抗震設(shè)防烈度會(huì)增加土建成本。韓淼等（2010b）和談一評(píng)等（2010）均研究了10 層框架?剪力墻結(jié)構(gòu)在不同抗震設(shè)防烈度下，土建造價(jià)的異同；韓淼等（2010a）和孟祥良等（2018）研究表明剪力墻結(jié)構(gòu)隨著抗震設(shè)防烈度的提高，其相應(yīng)的土建成本會(huì)增加；袁麗等(2013，2014)分別研究了磚混結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)農(nóng)居在不同抗震設(shè)防烈度下的工程造價(jià)，并分析了提高抗震設(shè)防烈度造成增加土建成本的原因。而場(chǎng)地類別改變對(duì)工程造價(jià)影響的研究較少。場(chǎng)地條件的改變不僅影響地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期，也會(huì)影響地震動(dòng)峰值加速度，進(jìn)而影響反應(yīng)譜平臺(tái)值（李小軍等，2001；呂悅軍，2008；李小軍，2013；劉曉東，2015），這必定對(duì)工程結(jié)構(gòu)的土建成本產(chǎn)生影響。張海等（2016）對(duì)比分析了改變場(chǎng)地類別對(duì)框架結(jié)構(gòu)土建成本的影響。目前，剪力墻結(jié)構(gòu)因剛度大、抗震能力強(qiáng)，成為高層住宅小區(qū)常用的結(jié)構(gòu)形式，這是本文研究新區(qū)劃圖雙參數(shù)調(diào)整對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)土建成本影響的出發(fā)點(diǎn)。本文選取典型的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，分別研究在抗震設(shè)防烈度和場(chǎng)地類別單一地震動(dòng)參數(shù)改變時(shí)的土建成本改變量，從而為其在新一代區(qū)劃圖下的工程概預(yù)算提供借鑒，有助于《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2016）的推廣應(yīng)用。

1 工程概況

某工程為地上12 層、地下1 層的鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，位于唐山市樂(lè)亭縣。工程實(shí)際抗震設(shè)防烈度為7 度；設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g；設(shè)計(jì)地震分組為第三組；場(chǎng)地類別為Ⅱ類，非液化場(chǎng)地，場(chǎng)地特征周期Tg為0.45 s；基本風(fēng)壓為0.4 kN/m2；地面粗糙度為B 類；基本雪壓為0.4 kN/m2；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；建筑抗震設(shè)防分類為丙類；結(jié)構(gòu)環(huán)境類別：地下室和地上梁板墻柱外側(cè)為二b 類，地上梁板墻柱內(nèi)側(cè)為一類，地下室梁板墻柱內(nèi)側(cè)為二a 類。建筑總高度33.6 m，其中地下室層高為3 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高為2.8 m，13 層層高為2.2 m（機(jī)房層）。各種工況下的樓板厚度均相同，其中地下室頂板厚180 mm，標(biāo)準(zhǔn)層板厚100 、130 mm，12 層及機(jī)房層頂板厚120 mm?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋級(jí)別為HRB400。在分析抗震設(shè)防烈度和場(chǎng)地類別改變對(duì)土建成本的影響時(shí)，不包括地基基礎(chǔ)的成本變化。

利用PKPM 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)建模、荷載輸入、內(nèi)力計(jì)算、內(nèi)力組合、截面設(shè)計(jì)及構(gòu)造設(shè)計(jì)等均在規(guī)范（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等, 2010，2011；中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011）允許范圍內(nèi)。在計(jì)算分析過(guò)程中，嚴(yán)格控制某些限制條件（如層間位移角、周期比、層剛度比、剛重比、剪重比、軸壓比等），使其更接近規(guī)范限值要求。標(biāo)準(zhǔn)層平面布置如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig. 1 The plan layout of structure

2 不同抗震設(shè)防烈度下土建成本計(jì)算分析

工程結(jié)構(gòu)造價(jià)主要包括土建、設(shè)備和裝修成本。通常隨著工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度的提高，其所承受的水平地震作用相應(yīng)地提高，進(jìn)而導(dǎo)致土建成本增加，但對(duì)設(shè)備和裝修成本的影響較小。因此，改變單一地震動(dòng)參數(shù)時(shí)僅考慮土建成本的變化，此時(shí)土建成本的增加主要是鋼筋和混凝土的材料使用成本。僅考慮不同抗震設(shè)防烈度下材料的使用量和使用成本，并比較提高一個(gè)設(shè)防烈度時(shí)土建成本的增加值以及增加比例。

不同抗震設(shè)防烈度下的剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)及抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）如表1 所示。不同抗震設(shè)防烈度下的結(jié)構(gòu)基本自振周期根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.17 條（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011）的規(guī)定，并由SATWE 結(jié)果文件（WZQ.OUT）得到。繪制II 類場(chǎng)地時(shí)，不同抗震設(shè)防烈度下的多遇地震動(dòng)地震影響系數(shù)曲線如圖2 所示。

表1 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)及抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)(Ⅱ類)Table 1 Seismic grade of shear wall structure and seismic structural measures (site II)

在不同抗震設(shè)防烈度下對(duì)所建立的模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、計(jì)算和配筋。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件選取及截面尺寸的確定均按規(guī)范最小允許值確定，從而得到不同抗震設(shè)防烈度下的抗震墻墻厚，如表2所示。

表2 不同設(shè)防烈度下的抗震墻墻厚(Ⅱ類)Table 2 The thickness of shear walls with different design intensity(site II)

利用SATWE 模塊分析計(jì)算剪力墻結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)防烈度分別為6 度（0.05g）、7 度（0.1g）、7 度（0.15g）、8 度（0.20g）和8 度（0.30g）時(shí)的鋼筋和混凝土用量，按現(xiàn)時(shí)市場(chǎng)定額對(duì)材料成本進(jìn)行分析。鋼筋價(jià)格為5 400 元/t，C30 混凝土價(jià)格為580 元/m3，材料取廢系數(shù)按1.3 取值。計(jì)算得到剪力墻結(jié)構(gòu)單位土建成本增加值及增加比例，如表3 所示。

由表3 可知，抗震設(shè)防烈度由6 度（0.05g）提高至8 度（0.3g）時(shí)，剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)提高，通過(guò)增加抗震墻厚度和增大配筋率可提高其抗震能力。整體上看，隨著設(shè)防烈度的提高，剪力墻結(jié)構(gòu)單位土建成本增大。當(dāng)設(shè)防烈度為7 度（0.15g）以下，抗震設(shè)防烈度每提高1 度，單位土建成本增加值為50 元以下；當(dāng)設(shè)防烈度由7 度（0.15g）提高至8 度（0.2g）、由8 度（0.2g）提高至8 度（0.3g）時(shí)，單位土建成本增加值已達(dá)80 元以上，增幅較大。在低烈度區(qū)，抗震設(shè)防烈度每提高1 度，單位土建成本增加比例較小，基本上在15%以內(nèi)；但在高烈度區(qū)設(shè)防烈度由7 度（0.15g）提高至8 度（0.2g）和由8 度(0.2g)提高至8度（0.3g）時(shí)，單位土建成本增加比例已達(dá)19%以上，說(shuō)明此時(shí)通過(guò)改變抗震墻厚度和增大配筋率提高結(jié)構(gòu)抗震能力無(wú)法達(dá)到“最經(jīng)濟(jì)”。由圖2 可知，隨著抗震設(shè)防烈度的增大，剪力墻結(jié)構(gòu)基本振型所對(duì)應(yīng)的地震影響系數(shù)逐步增大，所受的地震作用增大，故抗震墻厚度增加，抗震承載力提高，土建成本增加。加大抗震墻厚度雖會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度增大，抗震能力提高，但會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加，進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)水平地震作用增大。

圖2 不同抗震設(shè)防烈度的地震影響系數(shù)曲線(Ⅱ類)Fig. 2 Seismic influence coefficient curve with different design intensity (site II)

表3 不同設(shè)防烈度下主要建材用量和成本分析(Ⅱ類)Table 3 The construction cost and comparison of different design intensity(site Ⅱ)

3 不同場(chǎng)地類別下土建成本計(jì)算分析

考慮場(chǎng)地類別對(duì)土建成本的影響時(shí)，首先考慮場(chǎng)地類別對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)及抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)的影響。本工程抗震設(shè)防分類為丙類，場(chǎng)地類別為Ⅱ類（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2008），根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2 條（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2010）查詢Ⅱ類場(chǎng)地剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)，并根據(jù)第3.3.2 條和3.3.3 條進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果表4 所示。不同場(chǎng)地類別下結(jié)構(gòu)基本自振周期依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.17 條（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011）的規(guī)定，并由SATWE 結(jié)果文件(WZQ.OUT)得到。繪制抗震設(shè)防烈度為7 度（0.15g）時(shí),不同場(chǎng)地類別下多遇地震動(dòng)地震影響系數(shù)曲線，如圖3 所示。

表4 剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)及抗震構(gòu)造措施抗震等級(jí)（0.15 g 區(qū)）Table 4 Seismic grade of shear wall structure and seismic structural measures (zone 0.15 g)

在不同場(chǎng)地類別下對(duì)所建立的模型進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、計(jì)算和配筋。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，抗震墻截面尺寸均按規(guī)范最小允許值確定，得到不同場(chǎng)地類別下抗震墻厚度，如表5 所示。

表5 不同場(chǎng)地類別下抗震墻墻厚(0.15 g 區(qū))Table 5 The thickness of shear walls in different sites(zone 0.15 g)

場(chǎng)地條件對(duì)土建成本的影響還表現(xiàn)在其對(duì)地震動(dòng)的影響，即場(chǎng)地類別影響地震動(dòng)參數(shù)，進(jìn)一步影響地震作用。場(chǎng)地類別的改變不僅影響地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期，還影響反應(yīng)譜平臺(tái)值和地震動(dòng)峰值加速度。新區(qū)劃圖考慮到這一點(diǎn)，給出了反應(yīng)譜特征周期按場(chǎng)地類別的調(diào)整值，并指出非Ⅱ類場(chǎng)地的地震動(dòng)峰值加速度和水平地震影響系數(shù)最大值應(yīng)按照Ⅱ類場(chǎng)地予以修正，且給出調(diào)整系數(shù)。查閱《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2016）和《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》宣貫教材（高孟潭，2015）得到場(chǎng)地類別分別為Ⅰ0類、Ⅰ1類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類時(shí)，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期、基本和多遇地震動(dòng)峰值加速度及水平地震影響系數(shù)最大值，如表6 所示。

利用PKPM 的SATWE 模塊分析計(jì)算時(shí)，不同場(chǎng)地類別下地震動(dòng)參數(shù)取值按表6 選取。分析計(jì)算時(shí)，通過(guò)調(diào)整水平地震影響系數(shù)最大值實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)地類別分區(qū)峰值加速度的調(diào)整。分別計(jì)算相同結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地類別下的主要建材用量，按現(xiàn)時(shí)市場(chǎng)定額對(duì)材料成本進(jìn)行分析。鋼筋價(jià)格為5 400 元/t，C30 混凝土價(jià)格為580 元/m3，且材料取廢系數(shù)按1.3 取值。當(dāng)場(chǎng)地類別等級(jí)提高時(shí)，土建成本增加值及增加比例計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

表6 反應(yīng)譜特征周期、地震動(dòng)峰值加速度和水平地震影響系數(shù)最大值（0.15 g 區(qū)）Table 6 The characteristic cycle of response spectrum, ground motion peak acceleration and platform value of response spectrum (zone 0.15 g)

由表7 可知，場(chǎng)地類別改變對(duì)土建成本的影響不可忽視。場(chǎng)地類別由Ⅰ0類提高至Ⅳ類，剪力墻結(jié)構(gòu)受地震作用影響增強(qiáng)，通過(guò)增大抗震墻截面尺寸和配筋率可提高其抗震能力。整體上看，隨著場(chǎng)地類別的提高，對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)抗震越來(lái)越不利，導(dǎo)致單位土建成本增大。由Ⅰ0類提高至Ⅰ1類、由Ⅲ類提高至Ⅳ類，單位土建成本增幅分別為1.2 元和1.1 元，增幅較小。結(jié)合圖3 可知，原因在于Ⅰ類場(chǎng)地是較好的堅(jiān)硬場(chǎng)地，且由Ⅰ0類提高至Ⅰ1類，結(jié)構(gòu)基本振型所對(duì)應(yīng)的水平地震影響系數(shù)變化不大；同理，Ⅲ類和Ⅳ類場(chǎng)地中結(jié)構(gòu)的水平地震影響系數(shù)變化幅度較小，故土建成本變化不明顯。而由Ⅰ1類提高到Ⅱ類和由Ⅱ類提高到Ⅲ類，單位土建成本增幅較大，增加比例達(dá)到27%以上。再結(jié)合圖3，場(chǎng)地類別由Ⅰ1類提高到Ⅱ類和由Ⅱ類提高到Ⅲ類時(shí)，基本振型所對(duì)應(yīng)的水平地震影響系數(shù)增幅較大，地震作用增幅較大，從而導(dǎo)致土建成本增加，以提高抗震承載力?？傊?，軟弱場(chǎng)地對(duì)地震動(dòng)有放大作用，且場(chǎng)地類別越高放大作用越明顯，反應(yīng)譜特征周期越大地震動(dòng)低頻長(zhǎng)周期成分越明顯，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的影響越大。為避免共振效應(yīng)或烈度異常區(qū)的出現(xiàn)，應(yīng)對(duì)Ⅲ類或Ⅳ類場(chǎng)地上的結(jié)構(gòu)自振周期加以控制。

表7 不同場(chǎng)地類別下主要建材用量和成本分析(0.15 g 區(qū))Table 7 The construction cost and comparison of different sites (zone 0.15 g)

4 結(jié)論

基于《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306?2015）（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2016），本文對(duì)抗震設(shè)防烈度為7 度（0.15g）的剪力墻結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地類別下的地震動(dòng)參數(shù)加以修正，并給出了不同場(chǎng)地類別下的地震影響系數(shù)曲線。選取某12 層剪力墻結(jié)構(gòu)，利用PKPM 建模，采用單一控制變量法，對(duì)比分析了不同抗震設(shè)防烈度及不同場(chǎng)地類別下土建建材用量和單位土建成本增加值及增加比例，得出以下結(jié)論：（1）當(dāng)工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度提高時(shí)，在低烈度區(qū)，土建成本增加幅度較小，可在土建成本較小增加的前提下，使設(shè)防水準(zhǔn)提高1 個(gè)等級(jí)；在高烈度區(qū)，土建成本增加幅度大，這說(shuō)明在高烈度區(qū)采用改變構(gòu)件截面尺寸和配筋率提高結(jié)構(gòu)抗震能力無(wú)法達(dá)到“最經(jīng)濟(jì)”。（2）場(chǎng)地類別對(duì)土建成本的影響不容忽視，可直接影響反應(yīng)譜特征周期和地震動(dòng)峰值加速度，進(jìn)而影響設(shè)計(jì)反應(yīng)譜形狀，影響地震影響系數(shù)，從而對(duì)地震作用產(chǎn)生影響。（3）對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)自振周期與場(chǎng)地特征周期相協(xié)調(diào)，以避免共振效應(yīng)或烈度異常區(qū)的出現(xiàn)。