盧啟奇， 盧 海

(1.深圳中灝國際建筑設計院有限公司，廣東 深圳 518000；2.北京都市霍普股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

建筑結(jié)構造價占工程總造價的70%～80%[1]，含鋼量直接影響著工程的建筑成本，成了建設單位尤其是房地產(chǎn)開發(fā)商追逐的一個目標。本文結(jié)合工程實例，對剪力墻結(jié)構如何進行優(yōu)化設計，在保證結(jié)構安全的同時，達到理想的經(jīng)濟效果進行了總結(jié)分析，并提出了相關建議和措施。

1 工程概況

茂名市金?；▓@二期項目位于茂名市博賀鎮(zhèn)，地下1層，塔樓地上26層為住宅，標準層層高為3 m。上部結(jié)構高度為78.6 m，平面X向長度為35.1 m，Y向?qū)挾葹?5.7 m，結(jié)構高寬比為5.0，長寬比為2.24。本工程位于7度地震烈度區(qū)，基本地震加速度0.10g，Ⅱ類場地土，設計地震分組為第一組，特征周期為0.35 s，基本風壓為0.70 kN/m2，地面粗糙度為B類，風荷載體型系數(shù)為1.4。

2 高層住宅結(jié)構優(yōu)化分析

根據(jù)工程概況和國家及地方出臺的相關規(guī)范[2-6]以及全國幾大設計院編寫的結(jié)構統(tǒng)一技術措施[7-9]，提出“計算參數(shù)調(diào)整與結(jié)構調(diào)整同時引入結(jié)構設計”的設計方法，結(jié)合對結(jié)構抗震性能及材料用量敏感的計算參數(shù)分析[10]等，相關分析內(nèi)容如下。

2.1 高層建筑結(jié)構設計參數(shù)敏感性分析

現(xiàn)行建筑結(jié)構計算方法是基于多種理論假設受眾多計算參數(shù)影響。結(jié)構設計通常在初步設計時根據(jù)規(guī)范要求及工程經(jīng)驗確定各項計算參數(shù)，在滿足建筑要求的前提下通過修改構件截面尺寸或調(diào)整結(jié)構布置的方法來滿足結(jié)構的力學性能或達到優(yōu)化的效果。如進行結(jié)構抗震計算時，可通過調(diào)整結(jié)構布置或使用耗能構件等。在實際工程計算中，計算參數(shù)的準確性對整個結(jié)構的經(jīng)濟性和表現(xiàn)出來的力學性能有較大影響。因此，本文提出同時進行結(jié)構布置與參數(shù)調(diào)整的結(jié)構設計優(yōu)化，把計算參數(shù)調(diào)整和結(jié)構調(diào)整同時引入結(jié)構設計的過程，通過計算滿足結(jié)構性能后再采取有效措施來保證各計算參數(shù)的準確性。

2.2 合理設計剪力墻邊緣構件

我國規(guī)范明確規(guī)定剪力墻兩端及剪力墻洞口兩側(cè)應設置邊緣構件，且應滿足相關構造措施。高層住宅剪力墻上部結(jié)構中剪力墻構件鋼筋用量占總鋼筋用量基本都在50%以上，其中邊緣構件鋼筋用量是剪力墻含鋼量的關鍵，幾乎決定了剪力墻鋼筋總用量。剪力墻宜在合理范圍內(nèi)盡量設置較長的墻肢，以增大單片墻肢的抗側(cè)能力，減少剪力墻墻肢數(shù)量，使邊緣構件數(shù)目減少。剪力墻邊緣構件宜適當考慮墻水平分布鋼筋計入箍筋的體積配箍率，但不應大于總體積配箍率的30%[2]。

2.3 連梁按墻開洞輸入

連梁按墻開洞輸入后，軟件自動按照細分的殼元計算。梁在計算模型中按照桿件單元計算，被定義為殼元梁后，將在梁高及全跨范圍內(nèi)劃分殼單元，更能模擬實際模型，可實現(xiàn)與其他構件自動協(xié)調(diào)，計算出來的剛度較桿單元剛度大，同時計算出來的配筋值也較小。

2.4 考慮梁翼緣板內(nèi)鋼筋的貢獻

本工程采用了板底筋在支座處也應按受拉鋼筋的要求連續(xù)貫通或錨固的措施。樓板作為梁構件的翼緣板[3]，翼緣板內(nèi)的板配筋(無論是板面筋還是板底筋)都會對梁在支座處抗負彎矩的能力有幫助作用，能補充梁在支座處的負筋[4]。通過優(yōu)化后梁端配筋大大減小，更體現(xiàn)強柱弱梁的概念。

2.5 風荷載的決定性作用

在沿海地區(qū)，風力成為高層建筑的控制性荷載[11]，本住宅樓抵抗水平荷載所需要的承載力是由風荷載控制的，而非地震作用力。而加長的墻肢不會增加風荷載作用力，反而會提高整體結(jié)構抗水平荷載的承載力。

3 結(jié)構分析與布置過程優(yōu)化

剪力墻肢宜布置在同一軸線上，避免錯位布置，且避免使用短肢墻或超長墻?？紤]到單片剪力墻的不利破壞形態(tài)及其相對較差的耗能能力，盡量避免采用。優(yōu)化前后標準層結(jié)構剪力墻布置如圖1、圖2所示。

圖1 原設計方案標準層結(jié)構剪力墻平面布置圖

圖2 優(yōu)化方案標準層結(jié)構剪力墻平面布置圖

對比優(yōu)化方案與原結(jié)構方案的剪力墻布置，優(yōu)化方案的剪力墻布置較長、盡可能連為整體或聯(lián)肢墻，增加了整體結(jié)構抗水平力能力，也增加了結(jié)構剛度，位移角減小，解決了位移角超限問題(因原結(jié)構方案中的端柱較多，取消端柱后位移角超限)，增加了整個結(jié)構的安全儲備。

4 結(jié)構設計信息與計算參數(shù)優(yōu)化

最終確定該結(jié)構優(yōu)化方案的設計信息和計算參數(shù)見表1。兩種方案均按《廣東省高層建筑混凝土結(jié)構技術規(guī)程》(DB J15-92—2013)[4]設計；按《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)計算地震作用，框架的抗震等級為2級，剪力墻的抗震等級為3級，考慮偶然偏心，考慮雙向地震扭轉(zhuǎn)效應；墻柱配筋設計考慮端柱及翼緣墻，考慮柱、墻活荷載折減；梁剛度放大系數(shù)按《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)[3]取值；連梁材料強度默認同墻；承載力設計時的風荷載效應放大系數(shù)為1.1。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對比表

4.1 構件截面尺寸

確定結(jié)構構件的截面尺寸應遵循以下幾點原則：

(1)剪力墻厚度可根據(jù)墻肢的穩(wěn)定性以及軸壓比限值初步確定，并應在設計的過程中根據(jù)結(jié)構的力學性能做出調(diào)整。

(2)普通框架梁和次梁的截面尺寸可根據(jù)梁跨的1/15～1/8初定截面高度，按2～4倍的高寬比初定截面寬度，并應在設計的過程中根據(jù)梁的配筋率進行調(diào)整。

(3)連梁的截面寬度一般同剪力墻厚度，截面高度可綜合考慮連梁承受的豎向荷載以及對結(jié)構整體剛度的作用，按聯(lián)肢剪力墻的整體系數(shù)初步確定，并根據(jù)設計要求做適當調(diào)整。

(4)樓板的厚度一般可按短跨的1/40～1/30確定，且不少于100 mm，對于平面大開洞及局部收進位置宜適當增加板厚。

(5)施工圖設計階段，應根據(jù)結(jié)構的經(jīng)濟性要求，在不降低結(jié)構抗震性能的前提下適當調(diào)整周邊構件的截面尺寸，以達到相對較優(yōu)的配筋率。

(6)優(yōu)化后標準層墻厚全改為200 mm，增加了室內(nèi)使用空間。

4.2 材料強度

原結(jié)構設計方案與優(yōu)化方案采用了相同的材料強度。

(1)混凝土強度等級：豎向構件C45～C30,梁板C30。

(2)鋼筋均采用強度等級HRB400。

4.3 多遇地震彈性計算分析

優(yōu)化前后的多遇地震彈性計算分析見表2。

表2 多遇地震彈性計算結(jié)果對比

根據(jù)上述計算結(jié)果，兩結(jié)構方案的各項性能指標都滿足規(guī)范相關要求，能保證結(jié)構“小震不壞”的抗震性能要求。對比兩結(jié)構方案的計算結(jié)果分析如下。

(1)優(yōu)化方案的第一振型為Y向平動，振動周期為1.641 8 s，比原設計方案的Y向振動周期1.943 4 s減少了0.301 6 s，減少幅度15.5%。說明優(yōu)化方案的結(jié)構總體剛度比原設計方案大。尤其原設計方案X向振動周期為2.676 6 s，建筑物長方向比短方向振動周期長，說明原設計方案X向布置的剪力墻少了，不夠安全。

(2)優(yōu)化方案的結(jié)構無論在地震，還是在風荷載作用下，變形相對較小，最大位移、層間位移角均較小，都能滿足規(guī)范的相關限值要求，即能保證結(jié)構在地震及風荷載作用下不發(fā)生過大變形，保證結(jié)構的安全。

4.4 結(jié)構經(jīng)濟性分析

以下統(tǒng)計結(jié)果為上部結(jié)構的材料用量，不包含地下室部分。只統(tǒng)計計算模型材料用量，不統(tǒng)計樓梯、構造柱、拉梁、過梁等非結(jié)構構件材料用量，也未考慮鋼筋搭接和錨固、樓板分布鋼筋施工損耗等附加材料用量。重點關注兩種結(jié)構方案的材料相差量。

4.4.1 混凝土用量

原方案單方混凝土量為0.30 m3/m2，優(yōu)化方案單方混凝土量0.31 m3/m2，優(yōu)化方案單方混凝土量比原設計方案多了0.01 m3/m2，增加幅度3%，主要是優(yōu)化方案的剪力墻拉得比較長造成的。但同時減少了同體積的磚墻用量，增減的費用差不多。

4.4.2 鋼筋用量

優(yōu)化前全樓含鋼量為35.628 kg/m2，優(yōu)化后全樓含鋼量為25.171 kg/m2，優(yōu)化后減少了約10.475 kg/m2。

4.4.3 標準層鋼筋用量對比

以模型第12層為標準層，計算兩種方案的鋼筋用量進行對比分析，見表3。優(yōu)化前單位面積用鋼量為37.439 kg/m2，優(yōu)化后單位面積用鋼量為26.144 kg/m2，相差11.295 kg/m2。其中板配筋相差不大，梁、邊緣構件優(yōu)化后配筋大幅減少，連梁優(yōu)化后配筋略有減少，墻身優(yōu)化后配筋有所增加，是因為剪力墻拉得比較長造成的。

表3 第12層鋼筋用量優(yōu)化前后對比表

5 結(jié)束語

對金?；▓@高層住宅剪力墻結(jié)構通過優(yōu)化設計參數(shù)、合理調(diào)整結(jié)構布置、采用高強材料、采取控制配筋等多種措施相結(jié)合，合理控制結(jié)構的抗震性能指標以及材料用量指標，達到了優(yōu)化分析與節(jié)材設計的效果。與原設計方案相比，經(jīng)優(yōu)化后的結(jié)構方案增加了結(jié)構剛度，增加了結(jié)構抵抗風荷載的承載力，并且優(yōu)化后的方案混凝土用量雖然有少量增加但增加不多，可與同步減少的磚墻用量相抵消，而鋼筋用量則大大節(jié)省了，每平米節(jié)省了約10 kg，取得了良好的經(jīng)濟效益。