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如何把结构含钢量控制到底线

     结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下,通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施,充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。如何在满足建筑功能的前提下,保证结构安全并控制含钢量成为摆在结构设计工程师面前的现实课题。本文总结了以往的设计经验,参考了相关文献,给出了结构优化设计的步骤和一些具体措施,供设计人员参考。

1结构优化设计的步骤
    笔者认为,结构优化设计的合理步骤应该是:①在方案阶段,通过与建筑专业的充分沟通,对建筑的平面布置、立面造型、柱网布置等提出合理的建议和要求,使结构的高度、复杂程度、不规则程度均控制在合理范围内,避免抗震审查,为降低含钢量争取主动权;②在初步设计阶段,通过对结构体系、结构布置、建筑材料、设计参数、基础型式等内容的多方案技术经济性比较,选出最优方案,整体控制含钢量;③在具体计算过程中,通过精确的荷载计算、细致的模型调整,使结构达到最优受力状态,进一步降低用钢量;④在施工图阶段通过精细的配筋设计抠出多余钢筋,彻底降低含钢量。
    在进行多方案的技术经济性比较时,应综合考虑材料费、模板费、基坑开挖降水支护费用、措施费、施工难易、工期长短等因素,与甲方协商后择优选用。
2结构体系与布置优化
    结构体系和布置对造价影响很大,应予重视。
    1)应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如,异形柱框架比普通框架用钢量大,在可能的情况下尽量采用前者;短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高,在可能的情况下尽量采用后者。
    2)应选择比较规则的平面方案和立面方案。尽量避免平面凸凹不规则或楼板开大洞,控制平面长宽比,合理设缝,使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应避免有过大的外挑或内收,同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素,使侧向刚度和水平承载力沿高度尽量均匀平缓变化。
    3)应选择合理、均匀的柱网尺寸,使板、梁、柱、墙的受力合理,从而降低构件的用钢量。柱网大则楼盖用钢量大,柱网小则柱子用钢量增大,应根据建筑实际情况和经验合理布置。例如,住宅中小开间结构中墙柱的作用不能得到充分发挥,过多的墙柱还会导致较大的地震作用,可考虑采用大开间结构体系,既节约造价,又便于建筑灵活布置。
   4)应选择经济合理的楼盖体系。楼盖质量大,层数多,占整体造价比重高,对楼盖的类型、构件的尺寸、数量、间距等应进行对比分析,选择最优的方案。一般住宅宜采用现浇梁板楼盖,预应力楼盖的预应力钢筋容易被二次装修破坏,井字梁楼盖影响室内美观,均不推荐。办公楼等大空间结构宜采用十字梁、井字梁、预应力梁板方案。双向板比单向板经济,应多做双向板。板的厚度,双向板宜控制在短跨的1/35,单向板宜控制在短跨的1/30,此时板易满足强度和变形要求,经济性好。
    5)剪力墙结构的优化空间很大,应下大力气优化。剪力墙的布置宜规则、均匀、对称,以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量,限制墙肢长度,控制连梁刚度,剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层,平面能布置成大开问的尽量布置成大开间,墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙,限制“一”字墙,少做转换。
    6)降低含钢量的小技巧:①楼电梯间不宣布置在房屋端部或转角处。因其空间刚度较小,设在端部对抗扭不利,设在转角处应力集中。②框架结构层刚度较弱时,加大柱尺寸或梁高都可显著增大层刚度,而提高混凝土强度效果不明显。③柱的截面尺寸,多层宜2层~3层调整一次,高层宜结合混凝土强度的调整每5层~8层调整一次。④多层框架结构位移超标时,可布置少量剪力
墙使其满足要求。此时仍按框架结构确定抗震等级,剪力墙抗震等级可为三级且不设底部加强区,同时框架部分还宜满足不计入剪力墙时框架的承载力要求。⑤剪力墙的窗下墙尽量用填充墙,可延长周期并节约造价。⑥剪力墙结构仅少量墙肢不落地、做框支转换且其负荷面积占楼层面积范围很小时(≤10%),可按仅个别构件转换考虑,不必把整个层都作为转换层。⑦填充墙的上下在不影响美观和使用的情况下尽可能设梁。分隔墙下可不设梁,配筋上加强即可。⑧外挑阳台挑出长度大于1.2m时优先考虑梁板式受力体系。⑨梁的截面尽量按正常截面取,少做宽扁梁,配筋率也应控制在1.5%以内。⑩尽量避免梁宽≥350mm,否则箍筋按构造要求需采用4肢箍,造成箍筋用量增加。(11)。楼梯构件,梯板跨度大于3m或活载较大时,优先考虑梁式楼梯。(12)。爹建筑构件,包括装饰构件,优先采用钢筋混凝土结构。
3材料优化
    材料自重对结构受力影响较大,应尽量选用轻型材料。如填充墙、隔墙采用轻质材料,可显著减轻自重,降低含钢量。
    混凝土价格相对便宜,可适当提高混凝土强度等级以减少钢筋用量,但混凝土强度等级越高越容易开裂,所以也不能太高。一般建议梁板混凝土等级取C30,墙柱混凝土等级取C25—弭O(断面与标号间取最优值),转换层水平构件取C40,非承重构件取C20,基础取C30,--C35,垫层取C15。一般楼层越高受力越小,故混凝土强度等级宜从下到上逐渐减小。为便于施工,同一楼层各构件最好采用同一等级混凝土。
关于钢筋的优化,将在配筋设计部分论述。
4荷载优化
    荷载输入值的计算是否准确,关系到整个工程的含钢量是否正常。荷载的计算应尽量精确,做到不漏算、不重算、不多算、不错算。荷载取值应严格按照最新版荷载规范取用,不要擅自放人。对于一些特殊功能的建筑,应会同甲方共同测算荷载的取值。
    填充墙上门窗开洞面积较大时,应扣洞口部分的重量。地面、楼面、屋面、填充墙、隔墙、构架、线条等恒载取值应按建筑做法和大样详细计算。
    对于GB 50009-2001第4.1.2条所列可折减的项目,应严格按所列系数折减,尤其是消防车活载。
    通过检查PKPM总信息中单位面积质量数值可以判断出荷载输入是否正常。一般设计较合理的住宅结构,单位面积的荷载标准值为:框架结构1 lkN/m2~13 kN/m2,框剪结构13 kN/m2~16 kN/m2,剪力墙结构14kN/m2~18kN/m2。
5设计参数优化
    设计参数直接影响着含钢量的变化,因此必须弄清楚每个参数的内涵,正确地选用。笔者总结经验、参考文献后给出以下建议:
    1)普通柱按单偏压计算,双偏压校核,异型柱才按双偏压计算。按双偏压计算时柱钢筋用量显著增加。
    2)偶然偏心和双向地震不同时考虑。考虑双向地震影响会使结构用钢量增加。一般较规则的结构,扭转效应较小,可只计算单向地震力(考虑偶然偏心影响),不考虑双向地震影响。但如果结构的质量和刚度分布明显不对称、扭转严重时,应计入双向水平地震作用下的扭转影响。如何判断结构是否扭转严重,作者赞同文献[3】的看法,即当楼层最大弹性水平位移(或层间位移)与该层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的比值A级高度大于1.4、B级高度或复杂高层大于1.3时,可认为结构扭转比较明显,需要考虑双向地震作用。多层结构参考高层取值。
    当结构扭转位移比超限时,可通过以下措施作调整:①调整平面布置,使质心与刚心尽量接近;②加强结构外边一圈构件刚度,提高抗扭能力;③加大墙、柱、梁截面,改变层间刚度与楼层刚度比;④改变墙、柱的方向,使x、y向刚度接近,尽量使位移比小于1.3,这样就不用考虑双向地震作用了。
    3)计算位移角时可不考虑偶然偏心,有利于满足规范限值要求,见《高层建筑混凝土结构技术规程》ts]4.6.3条。
    4)竖向构件考虑活荷载折减,可降低用钢量。反映在PlUM计算参数中就是:柱、墙和传到基础的活荷载在SATWE中折减(在PM中一般不折减)。
    5)梁柱重叠部分考虑刚域影响,可降低梁的配筋,不考虑刚域影响时梁负筋应按柱边弯矩配筋。
    6)梁设计弯矩放大系数及配筋放大系数取1.0。楼面本身荷载和梁荷均已经乘以大于1的分项系数,梁计算中即使不放大也已经存在安全储备,没有必要再对弯矩放大系数及配筋放大系数进行放大。在后期施工图设计时再针对薄弱的部分比如悬挑梁等进行适当的放大,提高其安全储备。
    7)梁刚度放大系数,中梁宜取2.0,边梁宜取1.5。梁刚度放大系数主要反映现浇楼板作为梁的有效翼缘对楼面梁刚度的贡献。由于刚度大小直接影响内力分配,不考虑该系数将使梁配筋偏小,考虑不当会使构件配筋不准确,都不利于结构安全。
    8)周期折减系数直接影响到竖向构件的配筋,如果盲目折减,势必造成结构刚度过大,吸收的地震力也增大,最后导致墙柱配筋增大。周期折减系数应根据填充墙实际分布情况慎重选择,纯剪力墙结构自振周期可以不折减(取1.O)。
    9)PKPM中如次梁单独输入,则PKPM默认对次梁不调幅,此时应将其改为“调幅梁”,可节约部分钢筋。
    10)剪力墙连梁跨高比大于5时,受力特征己变成受弯为主,应按框架梁输入并且不能定义为连梁。当梁一端与剪力墙平面外相接时不论跨高比为多少都不应定义为连梁。
    11)减小结构扭转可降低用钢量,故应尽力调整计算模型使最大位移与层平均位移之比、最大层问位移与平均层间位移之比小于1.3,并使第一、第二振型为平动,第一扭转周期与第一平动周期之比小于0.85。
    12)楼层层间最大位移与层高之比△u/h比规范限值略小即可,且两个主轴方向位移角计算结果越接近越好。如框架结构位移角限值为1/550,实际结构X、y向最大层间位移角为1/(560,---,580)时较经济。结构越刚,地震反应越大,含钢量越高,延性越差。另外,各个楼层之间的弹性位移角最好均匀变化,不要突变。
    13)对框架一抗震墙结构框架部分的底层柱底,可不乘以弯矩放大系数,见《建筑抗震设计规范》t616.2.3条条文说明。
    14)对于上海地区工程,《上海市建筑抗震设计规程》6.1.19条规定:当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下室结构的楼层侧向(剪切)刚度不宜小于上部楼层侧向(剪切)刚度的1.5倍。据此可放宽对地下室的刚度要求,节约部分钢筋。
    15)检查PKPM的总信息、位移、周期、地震力与振型输出文件,查看各个指标是否控制在合理范围内:如轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期、刚重比、层间受剪承载力比、有效质量比、超筋信息等。如均在合理范围内,说明结构设计较合理,否则应继续优化。
    16)设计较合理的结构,基本上符合以下规律:
    (1)柱、墙的轴力设计值绝大部分为压力;
    (2)柱、墙大部分构件为构造配筋;
    (3)底层柱、墙轴压比大部分比规范限值小0.15以内;
    (4)梁基本上无超筋;
    (5)剪力墙符合截面抗剪要求;
    (6)梁抗剪不满足要求的截面和抗扭超限截面没有或很少;
    (7)大部分构件的配筋率在表1范围内。
6基础设计优化
    基础造价占结构造价比重最大,基础的节省将对整个工程造价的降低起决定性的作用。基础设计的关键是合理选择基础形式。
    一般的,低层住宅优先考虑浅埋天然基础,多层住宅优先考虑沉降控制复合基础(含复合桩基,允许设地下室),对于深埋独立地下室,可考虑采用补偿式基础。
    设置地下室时,对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证,尽可能用科学合理的方法节省造价。
    地下车库顶板常用结构型式有大跨梁板、十字梁、井字梁、柱帽无梁楼盖、预应力有/无梁楼盖、空心楼盖等几种;底板常用结构型式有“承台+底板”、“承台+地梁+底板”等几种。应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案技术经济性比较后再选择最合理的方案。
    采用桩基时,需进行桩型、桩径、桩长等多方案技术经济性比较。桩基比选时需考虑承台造价。不同单体,不同地质情况可选用不同桩型,地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度。方桩宜优先考虑空心方桩,抗拔桩优先考虑PHC管桩。
  布桩时优先考虑轴线布桩并按群桩形心、荷载中心、基础形心“三心”尽量靠近原则作优化调整。单个承台及整个单体的布桩系数(上部总荷载与单桩承载力总和的比值)宜控制在0.75~0.90之间,试桩结果较理想时可取高值。
    少用联合承台,基础厚度在满足抗冲切、抗剪切的要求下尽可能降低厚度。墙/柱下直接布桩时,如荷载能直接传递,承台厚度可适当减小。避免或减少_柱一桩。
    与承台相连的基础梁计算长度不必取轴线间距离,否则配筋会增大,建议取1.05倍净跨度。合理选择地粱的断面并控制梁的截面尺寸和配筋。宜采用倒T型截面,不宜采用矩形截面。增加
基础高度可以减少底板配筋。独立基础优先采用锥形基础。
    筏基底板宜适当出挑,一般出挑O.5m~2.0m左右,有梁时宜将梁一起出挑,当有柔性防水层时不宜出挑。地梁宜适当出挑,一般出挑边跨跨长的1/4。
    无上部结构的地下建筑,如地下车库等,可按三级或非抗震设计。但9度抗震设计时,抗震等级不低于二级,见《高层建筑混凝土结构技术规程》[gJ第4.8.5条。
    地下室超长时应设后浇带或膨胀加强带,刚度较大时后浇带或加强带距离应适当减小。
    JCCAD设计取荷载时不必同时选取PM荷载和SATWE荷载,因为PM荷载可能未考虑折减。
    挡土墙高度不宜超过1.5m,否则成本成倍增加,应协调建筑景观专业修改,如多次放坡。
7构件配筋设计优化
    在施工图设计阶段,主要通过对构件的精细化配筋设计降低含钢量。包括两方面工作,一是合理选择钢筋级别,二是合理控制钢筋用量。
    由于新三级钢筋比二级钢筋强度提高20%,价格约高6%,受力钢筋采用三级钢筋比采用二级钢筋约可节约钢材12%。但是对于抗裂配筋,由于裂缝宽度与钢筋应力有关,与钢筋级别关系不大,采用高强度钢筋并不能充分发挥作用,此时宜采用低强度钢筋。对于构造配筋,哪个级别更经济与最小配筋(箍)率的计算方式有关。如梁式构件的最小配筋率为0.2%和(4瓢黝%中的较大值,当混凝土强度≥C30时三级钢较经济,当混凝土强度小于C30时二级钢筋较经济。
    需要注意的是,二级钢筋和三级钢筋外观上相似,容易混淆。为防止工地用错钢筋,建议直径≥16ram的钢筋用三级,直径10mm~14mm的钢筋用二级,直径6mm~8mm的用一级和三级。
下面按构件类型给出具体的钢筋优化建议。
7.1一般要求
    1)尽量采用人工配筋,钢筋归并系数要取得小一些。自动生成的配筋不尽合理,不能直接使用。钢筋归并时用较大配筋包罗较小配筋,归并系数过大会造成比较多的浪费。
    2)结构竖向应按计算结果划分区段,使各区段内配筋相差不大,再分段出图。多层宜层层出图,高层宜每3层~4层为一段出图。
    3)受力钢筋尽量选用三级,当受力很小或为抗
    裂时宜选用一级(d≤8mm)和二级Q≥10ram),构造下限控制时根据最小配筋(箍)率计算方式选择最经济级别。吊钩只能采用一级。
    4)凡抗裂钢筋均应采用细密钢筋,钢筋级别不宜超过二级,钢筋间距不宜大于150mm。
    5)分布筋、拉结筋、架立筋等起辅助作用的钢筋采用一级@≤8mm)或二级(d≥10mm)。
    6)《建筑抗震设计规范))2008年局部修订版第3.9.3条要求,普通纵向受力钢筋优先采用HRB400级热轧钢筋,箍筋优先选用HRB335级和HRB400级热轧钢筋,不推荐使用强度低、黏结握裹性能差的HPB235级钢筋,如使用一级钢建议只用于次要构件。
7.2板配筋要求
    1)楼板钢筋一般采用三级。除非特殊需要,一般采用分离式配筋,板跨较小且上筋相同时允许拉通。板厚≥150mm时,可能抗裂或构造控制,宜用二级钢筋,楼板上筋中拉通筋满足计算和构造要求即可,其余用短筋在支座处附加。分布筋宜采用一级。
    2)一般楼层端跨及跨度大于3 900mm的楼板,上筋需拉通时可采用支座1/4板跨按计算配筋、跨中用小直径钢筋(如6mm)与支座钢筋受拉搭接的方法连接,以节省钢筋。
7.3梁柱配筋要求
    1)梁、柱钢筋直径≥16rain时宜采用三级,直径<16mm时宜采用二级。剪力墙暗柱主筋按相同原则处理。梁的最小配筋率与钢筋强度反相关,柱采用三级钢的最小配筋率比二级钢小0.1%,故主筋宜用三级钢筋。
    2)梁的上部纵筋一般不放大,下部纵筋略放大,一般放大5%~10%且不宜超过15%。
    3)梁纵筋尽量采用较细钢筋(如以3E18代替2E22),可减少裂缝和钢筋锚固长度。
    4)次梁和四级框架梁的架立筋(含角筋)不用贯通,中间可用西10mm~咖12iilln钢筋搭接,搭接长度150mm,搭接部位一般在£邝处,见((03G101.1混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图55(2006版)。当梁跨度≤4m或支座负筋直径≤16mm时,分段搭接未必节省,可不分段。
   5)非框支梁的普通框架梁,其下部钢筋不需要全部伸入支座,可在节点附近部分截断,见((03G101.1混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》(2006版)第60页。
    6)梁板结构,计算梁的构造腰筋时,应扣除楼板厚度,腰筋宜用二级。
    7)梁柱最小配箍率与钢筋强度成反比,钢筋强度越高越经济,故箍筋宜采用三级(d=6mm,8mm,16ram,--.),和二级(d=10mm~14mm)。一级钢筋因强度低、与混凝土粘结握裹性能差、最小配箍率高等原因不推荐使用。箍筋间距应细分,不能只取@100mm、150mm、200mm几种间距。新三级钢筋的延性、可焊性已经大幅提高,与混凝土的黏结握裹能力也比圆钢强,可大规模用作箍筋。
    8)上集中荷载处附加横向钢筋,优先考虑箍筋,箍筋不足时,再用吊筋,吊筋不宜小于2咖12mm。
    9)抗扭钢筋时,应将构造腰筋计入到抗扭纵筋中。
  10)根据计算结果也可分加密区和非加密区配箍。
  11)钢筋可按非抗震设计要求锚固搭接,即以L。代替LaE。
  12)梁、圈梁、构造柱主筋应采用二级,箍筋应采用一级。
  13)根据跨度及荷载大小分段配筋,不能不分跨度大小采用同一截面配筋。
  14)主筋均可采用两种直径钢筋搭配配筋,使配筋面积尽量接近计算或构造要求。
7.4剪力墙配筋要求
1)剪力墙墙身水平筋宜用一级、三级(d≤8mm)和二级(d≥10mm),垂直筋宜用三级(d≤8mm)和二级(d≥10mm)。
2)约束构造边缘构件中按抗震等级、剪力墙部位确定纵筋配筋率和配箍率时,主筋及箍筋间距不一定取50倍数,也可取其它数值,如不一定只取@100mm、@150mm,也可取@120mm、@140 mill、@160mill等数值。
3)构造边缘构件暗柱一般不考虑体积配箍率,但应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》7.2.17条第4小条的规定,配箍特征值不宜小于Av=0.1。
4)当剪力墙水平分布钢筋在约束边缘构件内确有可靠锚固时,也可与其它封闭箍筋、拉筋一起作为约束箍筋计算。
5)十字型剪力墙,交叉部位可按构造要求配筋。
6)框架柱、剪力墙暗柱的分布筋可采用12 rain~14mill。
7.5基础配筋要求
1)柱下独立基础、墙下条形基础多为强度控制,宜用三级;地梁、基础梁、承台多为抗裂控制,宜用二级。
2)地下室底板、项板构造或抗裂控制时宜采用二级,强度控制时宜采用三级。顶板上筋及底板下筋的贯通筋满足计算和构造要求即可,其余用短筋在支座处附加。
3)地下室外墙配筋一般抗裂控制,水平、竖向均宜采用细密二级钢筋,钢筋间距不宜大于150ram。一般通过在外侧底部约1/3高度范围内附加短筋方式解决底部配筋较大问题。
4)地下室外墙迎水面内设直径,/,4ram~咖6mm@150mm的钢筋网片时,保护层计算厚度可比50mm适当减小,但不得小于30mm。
5)地下室构件迎水面裂缝宽度控制在0.2mm之内,室内可按0.25mm控制。
6)基础地梁、筏板可按非抗震设计要求锚固搭接,即以£。代替£蚯。
7)当独立基础边长或条形基础的宽度≥2.5m时,底板受力钢筋长度可取0.9倍边长或宽度,并交错布置,见《建筑地基基础设计规范》8.2.2—5条。
8)条形基础及筏板基础中的基础梁,箍筋按强一htcahni。d,ea孳Sut'a结D¨睁II度要求配置即可,不需按抗震要求或延性要求构造加密;纵筋可按非抗震要求锚固、搭接【4】。
9)灌注桩配筋可根据计算需要取通长、1/2桩长、1/3桩长。
8结束语
    可以看出,通过结构设计人员的细致工作是可以降低结构工程的钢筋用钢量的。这就要求结构设计师在平时工作中注意培养沟通说服的能力,注意结构设计的细节,并及时总结经验,为“降
低结构含钢量,,f故准备。同时必须指出,文中虽然提出了一些降低含钢量的措施,但并不提倡含钢量越少越好。只有深刻理解规范条文和结构受力原理、合理的进行结构布置、正确的选用荷载、慎重的选择计算参数、选择适度的构造措施,才能做出既安全又经济的结构。