某剪力墙结构优化设计

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　　【摘要】钢筋混凝土结构的单位面积用钢量是关系到建设项目投资方经济收益的决定因素之一，结构设计应在保证结构安全并满足设计规范构造要求的前提下努力实现用钢量的节省，本文通过对某剪力墙结构住宅楼的结构优化设计, 探讨了钢筋混凝土剪力墙结构的优化设计方法。
　　【关键词】剪力墙结构；结构布置；优化设计；配筋构造
　　
　　1 引言
　　随着国民经济的不断发展，房地产开发蓬勃发展，成为支柱性产业；同时，房产开发商之间的竞争日趋激烈。在住宅项目的开发中，房屋的土建造价的高低，将直接影响房产开发项目的经济效益。而房屋的单位面积用钢量的大小是影响土建造价的决定性因素。现在内行的投资方在签署委托设计合同时往往会提出对含钢量的限量条款。笔者认为只要该限量合理科学，就不应认为是苛刻条件。结构设计在保证结构安全、各项配筋构造符合现行规范要求的前提下，使单位面积用钢量处于一个合理水平，不仅是设计者的职责，也是衡量设计单位技术水平和市场竞争力高低的重要标志。
　　桂林地区设防烈度6度,水平地震影响系数最大值αmax=0.04,特征周期Tg=0.35s。本文以一栋14层高，采用剪力墙（短肢）结构的住宅楼为例,简述此类工程优化设计方法。
　　2 工程概况
　　工程为一座14层住宅建筑，一层为架空停车及设备用房，上部为居住建筑，出屋面塔楼2层，其中3～13层为标准层。原设计结构布置（标准层）见“图1”，建筑剖面见“图2。
　　
　　图1原设计结构布置图（标准层）
　　
　　图2剖面图
　　3 地基与基础
　　拟建场地内下覆泥盆系上统融县组灰岩。建筑的场地类别为Ⅱ类，场地内无液化土层。从本工程地质资料分析，岩石层较浅，岩石层上面有硬塑红粘土层和可塑红粘土层及软塑红粘土层，上部土层不均匀。因此采用沉管灌注桩基础，地基基础设计等级为乙级。桩径D=500mm，桩尖支承在灰岩上，单桩承载力标准值为600kN（灰岩极限桩端阻力标准值为7000Kpa,灰岩桩端承载力特征值fak=3500Kpa）。平均桩长10m，最后桩长应以贯入度控制，贯入度为3～5mm。
　　优化设计采用的基础形式与原设计相同，根据上部荷载标准值确定桩数。布桩时尽量使桩处于墙体下，这时承台避免受剪甚至抗弯，其厚度可较小，采用构造配筋率配筋则其配筋量就较少。但大多情况下，布桩无法都设在墙体下，而使承台受剪受冲切，为了满足其受剪受冲切，设计中适当加大承台厚度，而不宜采用增加配筋来满足其抗剪或抗冲切要求，以达到减小用钢量的目的。此外，由承台混凝土来满足抗剪或抗冲切后，承台的配筋就可采用低配筋率而不应也没必要提高配筋率（通常采用0.15%的配筋率）。
　　4 上部结构优化设计
　　建筑物抗震重要性为丙类[1] 。抗震设防烈度为六度 ，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组；结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别二类；采用(短肢)剪力墙结构(剪力墙全部落地)。框架梁抗震等级为四级，剪力墙抗震等级均为三级（满足《高规》[2]7.1.2条规定） 。
　　4.1 结构布置优化
　　本工程影响用钢量的宏观因素已经确定，如平面长度尺寸、长宽比、高宽比等；结构的梁、板平面布置根据建筑的使用功能确定，梁板的布置仅局部修改，使传力更加明确合理。结构布置的优化主要在于剪力墙的布置优化。
　　本工程虽竖向体型规则，但平面形状为不规则平面，基于概念设计，结构设计采用如下措施改善结构性能：
　　4.1.1 取消部分楼、电梯间剪力墙以减小中部抗侧力构件的刚度，适当加长角部及边部剪力墙，改善结构抗扭性能，且可限制差异位移。
　　4.1.2 减小中部部分墙肢长度。本工程一层为架空停车及设备用房，墙肢较短时对建筑功能的使用更加有利，在结构总体性能要求得到满足，且严格控制短肢剪力墙轴压比满足规范要求的前提下，适当减小墙肢的长度。
　　优化后的结构布置图（标准层）见图3。采用SATWE程序计算的结果对比见“表Ⅰ”。
　　
　　图3优化设计结构布置图（标准层）
　　计算表明，原设计第一振型以扭转为主，结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比为1.223>0.9，不满足《高规》要求。经过优化后Tt/T1=0.8973，满足规范要求。说明优化后剪力墙布置较合理，结构扭转效应明显减轻。
　　表ⅠSATWE总刚分析法计算结果对比
　　计算项目 原设计 优化设计
　　方向 x y x y
　　振型数 9 9
　　总重力 (kN)
　　95218 94804
　　周期T(s) T1=1.3951
　　Tt=1.7063 T1=1.7577
　　Tt=1.5771
　　有效质量系数
　　88.9 94.6 94.9 94.5
　　最大层间位移角
　　1/2671 1/2676 1/2770 1/2194
　　
　　1.44 1.38 1.46 1.28
　　短肢墙底部地震倾覆弯矩百分比（%） 32 45 31 40
　　4.2 荷载的计算
　　重力荷载的计算是一切结构设计的基础之基础，牵一发而动全身，它的准确计算，关系到建筑物的实际安全度的准确控制，也关系到结构设计的经济效益。尤忌在重力荷载计算开始即层层放大，以致最后心中无数，造成材料浪费、用钢量增加。本工程原设计荷载计算值偏大,经过以下优化步骤减小荷载计算值,使计算值与实际荷载值接近。
　　4.2.1 混凝土容重取值为24kN/m3。对于现浇混凝土结构，混凝土容重的取值涉及到整栋建筑荷载的准确性，其取值应能较准确的反映建筑的实际荷载。通常，在计算梁的自重时，要注意扣去梁板重叠部分的自重,但为了计算方便起见，板的均布荷载传递到梁上，是按梁格的中心线划分传递的。PKPM系列软件[3]导算荷载时也未考虑扣去重叠部分板重。计算表明，由于计算中未注意扣除梁板重叠部分的板重而引起的总重力荷载的增大的误差通常有10%～20%左右；计算墙的自重时，同理要注意扣除墙板重复部分的板重，此重叠部分引起的总重力荷载的增大的误差通常也有5%左右。
　　以板厚为100mm为例，混凝土容重取25kN/m3,软件自动导算的梁自重 比梁实际自重（包括抹灰自重，抹灰厚度按15mm,容重17kN/m3） 增大，增大系数为β，见“表Ⅱ”。因为软件导算板面荷载
　　时梁板重叠部分的自重被重复计算，此部分荷载与梁上的抹灰（装修）自重相抵消，且还有富裕，所以，在SATWE中输入参数“混凝土容重”时，按照25kN/m3输入即可，不需加大。此时板的恒荷载应计入钢筋混凝土板自重、房间面层自重及抹灰重一起输入，不要选“自动计算板自重”。即使如此，梁自重的线荷载还是偏大的，但剪力墙的自重因未考虑抹灰的影响比实际有所减小（约减小6%），因剪力墙一般所占楼面面积比较小，同时考虑到梁的自重线荷载计算的增大，剪力墙抹灰的自重对结构的影响可以忽略。
　　表ⅡSATWE板荷载导算时梁自重增大系数β（%）
　　梁截面(b×h) 200×300 200×400 200×500 200x600
　　 （kN/m）
　　1.16 1.71 2.26 2.81
　　 （kN/m）
　　1.44 1.92 2.4 2.88
　　β(%) 24.3 12.3 6.2 2.4
　　注：
　　4.2.2 计算填充墙的自重时，注意扣除板（梁）高范围及洞口部分的墙体自重。
　　4.2.3 使用活荷裁的取值按《荷载规范》[4]采用。其计算要注意根据《荷载规范》折减。

　　4.3 配筋的优化
　　由于设计规范中对构件的配筋构造有明确具体的规定，故设计中通常都不应违反，但在符合规范规定的前提下，仍有不少设计技巧能达到节省用钢量的目的。
　　4.3.1 剪力墙的配筋
　　本工程经过合理修改布置后，经过整体计算的剪力墙配筋大都为构造配筋。这样其节点区主筋、箍筋以及墙段的水平分布筋的配筋率都可按规范规定的最小配筋率配置。分别按照《高规》规定的底部加强部位和非加强部位的要求配筋。抗震墙中的墙段竖向分布筋通常都不是由内力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墙面出现水平收缩裂缝，故其间距通常取200mm，最小直径8，仅需满足最小配筋率，不必随意提高其配筋量。
　　4.3.2 梁的配筋
　　梁配筋大多由内力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。要使梁的用钢量不太高，一是混凝土强度等级不宜过高（本工程梁板混凝土强度等级均为C25），二是采用高强度钢筋，前者不仅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作为受弯构件的梁的抗裂性能。
　　梁承受集中荷载处要配置附加横向钢筋(加密箍筋及吊筋)。正常结构布置的楼层梁，每一处集中荷载一般都不太大,仅在梁侧配置加密箍筋已经足够,不必另加附加吊筋。
　　梁上部通长筋的配置对用钢量影响也较大。《高规》规定“沿梁全长顶面和底面应至少各配置两根纵向配筋，一、二级抗震设计时钢筋直径不应小于14mm，且分别不应小于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级抗震设计和非抗震设计时钢筋直径不应小于12mm”，本工程梁抗震等级为四级，无特殊要求时（如梁扭矩较大），梁上部通长筋取2φ12足够，不必随意加大或与支座配筋直径相同。
　　4.3.3 板的配筋
　　根据房间板块的大小和使用功能的不同，现浇板的厚度取值主要为80～120mm，板面恒荷载也根据板厚不同而增减，不必统一。当板面需要采用贯通面筋时，贯通筋的配筋通常不需也不宜超过规定的最小配筋率（ ≥0.1%），支座不足够时再配以短筋，这样既符合规范规定又可节省用钢量。本工程屋面按照《高规》要求设置双层双向钢筋，贯通面筋采用φ6@200，与支座面筋按照受力钢筋要求连接。
　　5 结束语
　　从目前看，在结构设计中钢筋和混凝土的用量比早期要多。结构设计应首先考虑如何合理的节约建材，不用过多担心安全问题。在设计中没有大的差错（如大量漏算荷载、大跨度的梁板截面过小及不恰当的处理悬挑构件等），现浇结构的安全可靠度不会发生问题。在设计中过于强调结构的统一性、简便性，或对规范理解不透，对构件受力性能了解不够，都是造成浪费的原因。结构的优化设计，绝不是用降低安全度来换取经济效益，也不是因为原设计保守而修改。优化后的设计不仅没有降低结构的可靠度，而由于结构趋于合理，使之更加可靠。
　　参考文献
　　[1]建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）.北京:中国建筑工业出版社,2002
　　[2]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3-2002). 北京:中国建筑工业出版社,2002
　　[3]中国建筑科学研究院PKPMCAD 工程部.SATWE 用户手册及技术条件，2005 年4 期
　　[4]建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）.北京:中国建筑工业出版社,2002
　　[5]混凝土结构设计规范（GB 50010-2002）.北京:中国建筑工业出版社,2002
　　[6]郁彦,高层建筑结构概念设计. 北京:中国铁道出版社,1999
　　

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