結(jié)構(gòu)設(shè)計含鋼量問題綜述

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近年來，隨著房地產(chǎn)市場的競爭越來越激烈，如何控制成本，創(chuàng)造更大的利潤，成了各房地產(chǎn)商追求的目標。在一個房地產(chǎn)項目中，一般土建造價約占建筑總造價的70％，在土建造價中鋼筋混凝土用量占主要部分，而混凝土價格為幾百元／噸，鋼材的價格為幾千元／噸。所以控制建筑的含鋼量成了房地產(chǎn)商控制成本最有效的手段之一，有些房地產(chǎn)商甚至把建筑含鋼量要求寫入設(shè)計合同。建筑結(jié)構(gòu)含鋼量指的是建筑總用鋼量除以總建筑面積得到的一個建筑經(jīng)濟指標，通常以kg／m表示。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度，對影響建筑結(jié)構(gòu)含鋼量的因素及控制措施進行一些探討。

1影響含鋼量的因素及控制措施

1．1建筑結(jié)構(gòu)布置

影響結(jié)構(gòu)含鋼量的因素首先是建筑物的體型，包括建筑物的開間、進深、層高，平面形狀的凹凸、豎向立面的縮進、懸挑等等。建筑布置的任何平面不規(guī)則或豎向不規(guī)則都將導(dǎo)致含鋼量的增加。有些結(jié)構(gòu)工程師往往過于遷就建筑專業(yè)，不對某些無必要的不規(guī)則情況提出意見，造成結(jié)構(gòu)平面或豎向嚴重不規(guī)則，將一個本來可以不超限的高層做成超限高層，大大增加了結(jié)構(gòu)含鋼量，造成了浪費。這就要求結(jié)構(gòu)工程師提前介入建筑方案的討論，使最終的建筑方案盡可能簡單、規(guī)則。在確定建筑物的體型后，就要進行結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)布置。我們主要根據(jù)建筑物的高度及建筑的空間使用功能確定結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)均勻、對稱，力求剛心和質(zhì)心重合，盡量避免出現(xiàn)GB50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《新抗規(guī)》)第3．4．3條及JGJ3-2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(以下簡稱《高規(guī)》)第4．3．3條等相關(guān)不規(guī)則情況。這樣就給下階段設(shè)計工作中合理控制結(jié)構(gòu)含鋼量打下良好的基礎(chǔ)。

1．2結(jié)構(gòu)計算模型荷載取值

荷載取值的大小直接影響結(jié)構(gòu)含鋼量是否合理，過小的荷載會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不安全，過大的荷載則造成浪費。設(shè)計工作中應(yīng)盡量選用輕質(zhì)墻體材料，根據(jù)建筑墻身做法詳細計算荷載，門窗荷載應(yīng)折去。活載應(yīng)根據(jù)具體建筑功能嚴格按GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)(以下簡稱《荷載規(guī)范》)取值。非固定隔墻的荷載應(yīng)折人樓面活載。對于《荷載規(guī)范》4．1．2條可以折減的項目，應(yīng)予以折減。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該對各種結(jié)構(gòu)形式的單位面積質(zhì)量有一定了解。

1．3結(jié)構(gòu)計算參數(shù)的選擇

目前結(jié)構(gòu)設(shè)計計算軟件有很多，每個計算軟件都有大量參數(shù)需要結(jié)構(gòu)工程師設(shè)置，這些參數(shù)都會影響結(jié)構(gòu)含鋼量，必須了解其意義及對計算結(jié)果的影響。

1)計算振型個數(shù)。該值若取值太小不能正確反映模型應(yīng)當考慮的振型數(shù)量，使計算結(jié)果失真；取值太大，不僅浪費時間，還能使計算結(jié)果畸變。振型個數(shù)一般取振型參與質(zhì)量達到總質(zhì)量的90％所需的振型數(shù)即可。

2)結(jié)構(gòu)基本周期。結(jié)構(gòu)基本周期是計算風荷載的重要指標。該參數(shù)對于以風荷載起控制作用的高層建筑的含鋼量有一定的影響。設(shè)計人員可以先保留軟件的默認值，待計算后從周期計算結(jié)果中提取該值，填入“結(jié)構(gòu)基本周期”選項中，再次計算得出各結(jié)果。3)中梁剛度放大系數(shù)。一般結(jié)構(gòu)計算中，中梁剛度放大系數(shù)取1．5—2之間的某一數(shù)值，為的是考慮樓板對結(jié)構(gòu)的剛度貢獻，此時計算出來的梁的內(nèi)力和配筋都會有所提高。故該數(shù)值應(yīng)該按實際情況取值，人為的增加剛度而引起含鋼量增加是不必要的。

1．4結(jié)構(gòu)計算指標的控制

1)周期比。周期比是控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的重要指標。它的目的是使抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置更有效、更合理，使結(jié)構(gòu)不致出現(xiàn)過大的扭轉(zhuǎn)。《高規(guī)》第4．3．5條：結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應(yīng)大于0．9，B級高度高層建筑、混合結(jié)構(gòu)高層建筑及復(fù)雜高層建筑不應(yīng)大于0．85。設(shè)計軟件一般不直接給出結(jié)構(gòu)的周期比，需要結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)計算書中的周期值自行判定第一扭轉(zhuǎn)和第一平動周期。當周期比不滿足《高規(guī)》第4．3．5條時，需進行結(jié)構(gòu)布置調(diào)整，具體可以增加周邊結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，減小中間結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，以增加結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度。

2)位移比。位移比是控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性的重要指標。《高規(guī)》第4．3．5條給出了相應(yīng)的規(guī)定。該值如果超過了1．2，說明結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件布置的不均勻，剛心和質(zhì)心不重合，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生內(nèi)力，導(dǎo)致豎向構(gòu)件和框架梁的配筋都增大。此時，需調(diào)整豎向構(gòu)件布置使其剛心和質(zhì)心相重合，以減小結(jié)構(gòu)平面的扭轉(zhuǎn)。此外，根據(jù)《新抗規(guī)》第3．4．1—3．4．3條及其條文說明的內(nèi)容，位移比1．2～1．4時，為一般不規(guī)則情況；位移比大于1．4時，為特別不規(guī)則情況。位移比是判別該建筑是否為超限高層的重要指標，對含鋼量影響很大。

3)剛度比。剛度比是控制豎向不規(guī)則的重要指標，同時也是判別該建筑是否為超限高層的重要指標。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)實際情況，對上下層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度進行調(diào)整，以達到減少內(nèi)力、控制含鋼量的目的。

4)層間受剪承載力之比。層間受剪承載力之比也是控制結(jié)構(gòu)豎向不規(guī)則的重要指標。

5)配筋率。配筋率影響結(jié)構(gòu)含鋼量的大小。結(jié)構(gòu)計算結(jié)果不超筋，并不表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件現(xiàn)有的截面合理，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)根據(jù)配筋率進行構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計。梁縱向受拉鋼筋的經(jīng)濟、合理的配筋率宜在0．6％～1．5％范圍內(nèi)，若超過這一范圍，宜加大或減小梁截面。

1．5施工圖繪制

因為不同結(jié)構(gòu)工程師的經(jīng)驗、習慣、對規(guī)范的理解和計算程序結(jié)果的理解程度不同，導(dǎo)致同樣的計算結(jié)果，最君繪制出來的施工圖的鋼筋含量差異很大。比如，每個設(shè)計人員在繪制梁圖中都會采取同類歸并，用較大的配筋構(gòu)件去包絡(luò)較小的配筋同截面構(gòu)件，但有時候因為受力不同，兩根跨度、截面相同的梁，配筋差異會很大，這時候歸并為同一種配筋就顯得很不經(jīng)濟了。再如，部分設(shè)計人員習慣將非框架梁的上部鋼筋設(shè)置為(1)22或(I)25的通長筋，這種做法對非框架梁和三級或四級框架梁來說沒有必要。按《新抗規(guī)》第6．3．4條，可以將梁的上部鋼筋在跨度中問1／3區(qū)段采用較小直徑鋼筋搭接，這種方法也可降低含鋼量。又如，設(shè)計人員在繪制施工圖中或多或少都會增大結(jié)構(gòu)計算配筋的結(jié)果。有的設(shè)計人員加大梁上部支座鋼筋，認為鋼筋加大，結(jié)構(gòu)就更安全。其實這樣增加鋼筋，反而起到了相反的作用，增加了梁端的剛度，而沒有增加柱端剛度，是結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用時，柱端先于梁端出現(xiàn)破壞，違背了“強柱弱梁”的設(shè)計原則。又如，關(guān)于框架柱、剪力墻邊緣構(gòu)件的最小配箍率計算，規(guī)范沒有明確對于復(fù)合箍是否要扣除重疊部分的箍筋。一般設(shè)計人員就按最保守的考慮，即按扣除重疊部分箍筋計算配箍率，這樣箍筋用量就會增加，還會造成因箍筋太密而影響混凝土的施工質(zhì)量。有經(jīng)驗的設(shè)計人員會適當考慮一些重疊部分的箍筋，這樣既節(jié)省了工程造價，又方便了施工。現(xiàn)在市場上鋼筋種類很多，選擇不同的鋼筋對含鋼量影響很大。新版GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對鋼筋種類做出了較大調(diào)整，增加了HRB335，HRB500等高強度鋼筋，剔除了原HPB235鋼筋。總的來說是提高了鋼筋的強度等級，并提倡采用高強度鋼筋，以達到增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全儲備和節(jié)省資源的目的。比如HRB400級鋼筋強度設(shè)計值為HRB335級鋼筋的1．2倍，而市場價格HRB400級鋼筋是HRB335級鋼筋的1．05倍，采用HRB400級鋼筋比采用HRB335級鋼筋理論上可以節(jié)約造價的10％左右。采用高強度鋼筋，可以充分利用鋼筋的高強度，大大降低用鋼量，對鋼筋加工、綁扎、施工周期都有很大的益處。

2結(jié)語

在國家大力提倡建設(shè)節(jié)約型社會的今天，含鋼量已經(jīng)成為房地產(chǎn)商衡量一個設(shè)計院設(shè)計質(zhì)量的重要指標之一，不少結(jié)構(gòu)工程師也越來越重視含鋼量的控制。但含鋼量并不是越小越好，節(jié)省含鋼量也絕不能以犧牲工程質(zhì)量為代價。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)在理解規(guī)范及條文的基礎(chǔ)上對設(shè)計工作不斷優(yōu)化，力爭作出安全、適用、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)。