多高层框—剪结构细部设计及技术参数控制因素的优化

施春燕

【摘 要】现今，在限额材料用量的结构设计，以及尚未有一整套通用的结构优化设计软件的环境下，能有一套能为广大工程技术人员容易掌握的优化理论体系，这应该是当前结构优化领域中的一个重要研究方向。鉴于钢混多高层框架结构是当前多高层建筑常常采用的结构形式，故本文拟对多高层框架-剪结构的优化理论展开研究。

【关键词】框-剪结构；细部设计；技术参数；优化设计；经济效益；经济配筋率

0 引言

采用现浇框架剪力墙结构，建筑的平面布置相对灵活，广泛应用在高层住宅、旅馆等居住建筑当中。所以，推广多高层框架剪力墙结构优化技术，可以提高设计质量，避免过多的材料浪费。

1 主要结构构件的细节优化设计

1.1 梁

对梁的宽度较小的构件来说，当计算的配筋比较大时，往往需要调整钢筋的排数，一般可以调整为配2-3排钢筋。这样会一定程度上减小了梁截面的有效高度。因此当不影响使用或空间观感时，建议适当地增加结构梁截面尺寸宽度，使其尽量放置成单排主筋。或者，当条件允许时，可增加梁截面的高度，以方便混凝土的浇注。

1.2 板

对于大跨度而且较为规则的结构板，支座按设计计算配负筋，板面中央部位按构造要求配构造筋。但当板面积不大时，可配通长筋，这样施工较为方便，也减少了剪截钢筋及吊运的工作量，提高现场施工效率。

1.3 剪力墙

抗震等级为一、二级的剪力墙分为加强部位和非加强部位两类。按抗震设计规范，前者应按约束边缘构件配筋，后者则按构造边缘构件配筋。所以，在节点区还是在其他的区域，前者的配筋量都会远大于后者。可见，在结构设计中应该严格区分抗震墙的不同部位和抗震等级，对钢筋用量的控制是起一定作用的。

1.4 柱

结构柱一般是压弯构件，其配筋在大多数情况下是构造配筋，因此在其混凝土强度等级的合理选用，而且满足轴压比要求的前提下，柱的截面不宜过大，否则会增加用钢量，同时影响了建筑空间的使用。

2 主要结构构件的截面尺寸的优化方法

2.1 梁、板的截面尺寸优化

钢筋混凝土单筋矩形截面梁、板正截面设计时，一般是先根据其跨度确定梁高、梁宽或板厚，并选取钢筋和混凝土强度等级，然后依据承受的弯矩设计值M计算所需配筋A■。那么，其正截面配筋率ρ一般是无法事先预知的。如果截面尺寸的选择偏大或偏小，材料强度的选择过高或过低，将导致配筋率过低或过高，直接影响建筑经济效益。本文所论述的结构构件优化设计方法是在保证结构构件强度与刚度要求的前提下，合理选择截面尺寸和材料强度。预先使截面的配筋率控制在经济配筋率范围内，以达到降低建筑结构成本的目的。

钢筋混凝土单筋矩形截面梁、板正截面的设计，截面承受弯矩M确定后，可以设计出不同截面的梁。当配筋率ρ取小时，梁截面会大些。当配筋率ρ取大时，梁截面相对的会小些。根据目前材料价格和施工费用测算，单筋矩形截面梁的经济配筋率约为0.6%-1.5%，板的经济配筋率约为0.4%-0.8%。有学者对钢筋混凝土梁、板正截面的设计提出了一种优化方法。其具体方法是，通过计算梁，板的配筋率影响系数气并列表，可利用公式M=α■bh■■。

结构梁、板的截面设计时，首先根据初选的钢筋和混凝土材料强度等级，利用表查出构件在经济配筋率上下限时的配筋率影响系数α■，然后代入上式。当计算出构件配筋在经济配筋率范围内波动时，所具有的最大（M■）和最小（M■）承弯能力，将弯矩设计M与M■、M■进行比较，应该有三种情况：

（l）M

（2）M>M■时，说明所需配筋较多，高于经济配筋率上限此时可适当增大截面尺寸，提高材料强度等级。

（3）M■

2.2 剪力墙、结构柱的截面尺寸优化

2.2.1 剪力墙

根据有关研究成果，剪力墙的轴压比应满足μ=N/bhf■。剪力墙单面的构造配筋应满足A■≥1000ρ■·b/4，其中[u]为规范规定的轴压比；N为作用于柱上的轴力，kN；b，L分别为剪力墙的截面厚度、长度，mm；f■为混凝土弯曲抗压强度，MPa；A■剪力墙单面主筋面积，mm■； ρ■为规范规定的最小配筋率。

剪力墙的配箍率按体积配箍率配筋可满足抗剪要求，故剪力墙的箍筋面积为A■=R■bL/1000，式中A■为柱截面箍筋面积，mm■，R■为柱的体积配箍率。

根据满应力准则法原理，当μ→[μ]时，剪力墙的截面为经济的，此时剪力墙的截面在满足设计要求的情况下应是最小的截面尺寸。同时，在这种情况下，剪力墙的配筋应该也是经济的。

此时，在初选b■、h■的截面尺寸后，以10mm为模数调整剪力墙截面尺寸，在满足剪力墙的最小截面要求[b]=150mm及配筋要求的前提下，尽量满足μ→[μ]，便可找出最优的截面尺寸。

2.2.2 结构柱

对于结构柱，同理使用其截面计算得的，结构柱截面在满足设计要求的情况下应是最小的截面尺寸。同时，在这种情况下，剪力墙的配筋应该也是经济的。

3 混凝土、钢筋、砌体的选用

3.1 混凝土材料

大量的工程设计实践表明，在多高层钢筋混凝土结构建筑的设计中，采用C30、C35、C45级混凝土应较为合理经济。但并不是等级强度取得越高，就越经济的。因为，采用高等级混凝土材料设计，可以相应地减少构件截面尺寸。但是，結构设计除了满足承载力强度要求外，还要满足变形、延性要求，这些跟构件的截面尺寸有关。新型的高强混凝土建筑材料，其特点是抗压强度高（一般为普通强度混凝土的4-6倍）、抗变形能力强、密度大、孔隙率低。因此，在特殊需要的结构中得到广泛应用。

3.2 钢筋

在多高层钢筋混凝土建筑结构中，纵向受力钢筋宜优先采用HRB400级钢筋。受力主筋采用新Ⅲ级钢筋来替代我国几十年来常规采用的强度较低的HRB335级即Ⅱ级钢，应能够节省钢材和节约资金。新Ⅲ级钢筋的强度设计值为360MPa，而Ⅱ级钢筋为 300MPa。新Ⅲ级钢筋的价格略高于Ⅱ级钢筋，从历年来的资料看，应不高出超过6%左右，经测算钢筋资金的节约在11%左右。可见这应是一项具有广泛意义的技术节约措施，具有一定的经济效益和社会效益。高层建筑采用高强钢筋为主的配筋方案应该是较优的。另外，结构楼板也可采用新Ⅲ级钢筋f8或f6mm为主的配筋方案。

3.3 非承重墙

在框架结构中，梁板柱为承重构件，墙体起分隔保护作用。多高层建筑对地震作用较为敏感，构筑物重量越大，其地震反应越大。同时，结构梁不但承担楼板传来的荷载，而且还要承受其上面的墙体重量。因此，采用轻型砌体，不但可减少结构梁的负担，从而减少其截面配筋，同时减少建筑结构的地震反应，进而减少材料用量，减低工程造价。对于250厚墙，可用轻质水泥砖，而对于120厚墙，可用灰砂砖。这样，一方面可以减轻了结构自重及地震反应，且能满足一定的建筑节能设计要求。

4 混凝土结构用钢量的主要控制措施

4.1 采用合理的结构体系

4.2 合理分析控制性计算结果，正确输入各个计算参数的取值

4.3 推广使用高强 HRB400钢筋和高强混凝土

4.4 楼板钢筋在工程钢筋用量中占有较大的比例，应合理控制楼板钢筋用量

5 结束语

总之，设计中既要反对片面的强调节约，忽视技术上的合理要求，使项目达不到功能的倾向。同时，也应该反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。

【参考文献】

[1]林德忠.框架-剪力墙结构的刚度优化方法[J].河北建筑工程学院学报，2000（9）.

[2]江欢成.优化设计的探索与实践[J].建筑结构，2006（6）.

[责任编辑：王洪泽]