浅析型钢混凝土结构的设计优化

翁熙

(福建福大建筑设计有限公司 福建福州 350002)

浅析型钢混凝土结构的设计优化

翁熙

(福建福大建筑设计有限公司 福建福州 350002)

通过结合实际工程，描述了对型钢混凝土框架－核心筒结构的型钢柱截面、连梁高度及梁柱节点施工的设计优化，并阐述了结构优化的相关准则。

结构设计优化;框架－核心筒;型钢混凝土

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随着社会的发展，节能减排、资源综合利用已经被提高到一个新的日常议程，建筑结构的设计优化亦是一样。对工程的优化应在“安全、经济、美观适用与方便施工”的准则下进行。以下，本人结合一个实际工程案例，对上述的观点进行阐述。

1 工程基本概况

“某工程广场”，该项目位于福州马尾自贸区内，在马尾区综合体育馆东侧，紧临东江滨公园，是一个集商业与办公为一体的综合性建筑群(图1)。总建筑面积77763 m2。其中，地上建筑面积53922 m2(分ABCD四栋)，地下两层建筑面积23841 m2，上部结构由两个主塔楼(A、C座)及与之分别相临的两个裙楼(B、D座)组成。本工程属丙类建筑，结构抗震设防烈度七度，设计基本地震加速度值0.10g，水平地震影响系数最大值0.08，场地土类别Ⅲ类，设计地震分组为第三组，特征周期为0.65s。两个主塔楼(A、C座)均为钢骨砼框架－核心筒结构(21F)，结构总高度99.80m，除底层5.3m，其余各层均为4.75m，结构高宽比3.73，核心筒高宽比为10.5，塔楼的型钢混凝土框架和筒体抗震等级均为二级，两个主塔楼的结构布置相近，其结构典型标准层布置如(图2)。

图1 某工程广场总平图

2 结构设计的三个方面优化

2.1 关于柱截面的设计与优化

本工程初期考虑采用的是钢筋砼框架－核心筒结构，在电算参数满足规范要求的情况下，一层位于A、D轴上的砼柱截面为1200×1200(共10根)，其余位于1、6轴上的砼边柱截面为1400×1400(共4根)，由于AB轴及CD轴间距仅有8.8m，在考虑柱截面宽度及建筑面层做法对柱网净宽的影响后，柱网所剩的净宽势必小于7.0m，而单个标准车位最小净宽要求2.4m，安排3个车位至少7.2m，经估算，若按此柱截面布置则地下室车位将减少17个，即减少340万的车位销售额(单车位按20万考虑)，并且较大的柱截面也会影响到上部几层商业的空间使用。故在考虑到建筑专业方面的各项要求后，决定采用型钢砼柱(SRC柱)控制轴压比，以减小柱截面。经试算，在在上部塔楼的1～10F(含过渡层)及地下室设置型钢混凝土框架柱(十字形型钢30mm厚)，其余部位设置普通混凝土框架柱，这样，原先一层1200×1200的柱截面减小到1000×1000，原先1400×1400的柱截面减小到1200×1200，柱截面分别为原先CR柱的70%及73%，框架梁仍采用普通钢筋混凝土梁，该结构方案不仅满足了建筑经济性及使用上的要求，而且又增加了结构的承载力及延性，通过了施工图的审查。

但图纸经过甲方专家及施工单位的核算与会审之后，问题就产生了，首先是甲方认为型钢综合造价较高，建议缩减设置型钢层的层数，以节省造价;其次是施工方提出柱型钢的重量较大，若按原设计30mm厚的十字形型钢，则至少会多布置1台塔吊以满足吊装半径的要求，这将会影响到现有的工期及甲方的工程造价，建议缩减柱型钢的厚度。根据甲方提供的概预算资料及各方的咨询，我们了解到钢材材料的单价为3500元左右，但其综合造价却达到9500元左右(即为材料单价的2.7倍)，综合单价之高也超乎之前的估算。根据以上情况，我们就从缩减布置型钢层数量及减薄型钢厚度的方向对原设计进行优化，经过多次的试算及比较，最终增加了高标号混凝土竖向布置的楼层数，把混凝土强度等级C50的柱墙从原来的1～4F调整为1～8F(以上各层标号逐层均匀递减)，并根据减薄型钢后具体柱子的轴压比，适当地加大了个别柱的截面。虽然该项的优化对施工方梁柱节点的施工提出了更多更高的要求，以及地下室局部车位的调整(配合建筑专业把部分车位调整为小微车位)，但却有效的把设置型钢柱的层数减少了4层(即仅1～6F设置型钢柱)，并把柱型钢的厚度从原设计的30mm减薄至20mm，合理地解决了甲方及施工方提出的问题。经初步估算，该项的设计优化为甲方节省了约500万元的工程造价。

图2 结构标准层平面图

2.2 关于核心筒间连梁高度的优化

原建筑在核心筒布置开洞的LL1处(图2)仅作为建筑的通道洞口使用，对梁高并无具体的要求。设计初期，从结构角度看，该栋框架－核心筒连接框架柱与核心筒的框架梁由于建筑的要求梁高被限制在700mm，而层高(4750mm)又相对较高，故由框架提供的抗侧力自然较小(尤其是X方向)，而核心筒承担的抗侧力自然就较大，经试算，若采取削弱核心筒连梁的方法来增大框架所承受的抗侧力接近规范建议值0.2V0要求的话，则LL1的高度就要做得较小，但筒体毕竟是三维受力形态的立体抗侧力构件，当连接核心筒间的连梁被削弱到一定程度后，结构的体系就会从整体三维的受力形态转变为平面二维构件的受力形态，从而导致结构整体三维刚度的丧失，且会对结构体系的各项参数产生不利的影响。最后，我们决定采取加强核心筒刚度的方法来保证结构的刚度和整体性，所以就仅预留了2200mm的洞口高度(即LL1高度为4750－2200=2550mm)，水电设备考虑在LL1的预留洞中进行，且与各专业配合并无问题。但甲方认为4.75m的层高仅仅开2200mm的门洞，且在考虑了装修后，门洞的高度就更小，与层高不配套，显得不是很大气，建议考虑实际使用减小核心筒通道内的LL1梁高。之前我们设计仅仅从结构角度去考虑问题，而忽视了“美观适用”的原则，这是原设计欠考虑到的问题。现在问题产生了就要尝试着去调整。最后，经过多次的逼近试算，在力求保证筒体结构能三维受力且不对原设计结构参数有较大影响的同时，把筒体通道内的LL1的梁高调整到了1950mm(即较原先减小600，门洞高度变为2800mm)，该项的优化充分体现了“美观适用”的优化准则。

2.3 关于型钢混凝土梁柱节点的优化

型钢混凝土结构梁柱节点的设计及施工是该工程的重点之一，只有在设计时充分考虑到施工的情况，才能顺利地完成梁柱节点的施工，从而保证工程的施工质量。本工程系采用增设的工字钢牛腿来处理梁纵筋与型钢柱翼缘相交的问题(做法详《04SG523》③“型钢混凝土柱的梁 －柱节点”及《12SG904－1》④相关部分内容)，在设计过程中，我们主要针对对梁柱节点及其连接的施工进行了优化:

图3 SRC柱1配筋图

(1)本工程SRC柱配筋如(图3)(以1000x1000的SRC柱为例)，考虑到在梁柱节点处箍筋层数及通过的梁纵筋均较多、柱箍筋还需切断后穿过钢牛腿的腹板进行焊接闭合以及柱角部和钢牛腿腹板处混凝土较难浇筑密实等实际困难，所以，在实际施工中采用了以下的方法来解决上述的问题:

1)取消了原先设置在梁柱节点处柱内部的两道井字矩形箍筋，仅保留了型钢柱外围的矩形箍及菱形箍，但将型钢柱外围的矩形箍直径加大到Φ16、菱形箍直径加大到Φ14，这样，就在保证节点配箍率的同时减少了箍筋的层数。

2)取消了用来连接梁纵筋钢牛腿的腹板部分，仅保留钢牛腿的翼缘板来连接梁纵筋，这样柱节点内的柱箍筋就能直接穿过钢牛腿的原先的腹板区域进行施工，也方便了梁柱节点混凝土的浇捣。

图4 连接钢筋肋板大样图

(2)梁纵筋与节点的连接。本工程与型钢柱翼缘相交的梁纵筋通过增设的工字钢牛腿来连接，而与型钢柱腹板相交的梁纵筋则可穿过设置在型钢柱腹板上的贯穿孔布置，但是腹板过多的开孔势必带来开洞率的提高，当型钢柱腹板的截面损失率大于25%时，就应对腹板进行补强。由于本工程梁纵筋较多，而对型钢柱腹板过多的开洞会造成腹板的开洞率偏大，虽然可以对型钢腹板进行补强加固，但是难免会引起应力的集中和传递的不直接，也有违“强柱弱梁”的原则(特别本工程是为解决轴压比而设置的柱型钢)，故本工程允许将部分梁纵筋焊接在“连接钢筋肋板”上(图4)，连接要求如图所示，以减小对型钢柱腹板的开洞削弱，但设计也对梁面筋的通过率提出了相关要求:a、当为端部梁情况时，保证梁面一排筋有不少于50%的钢筋(相对于与型钢柱腹板相交的一排筋)能穿过型钢柱腹板锚固(角筋优先穿过);b、当为连续梁情况时，保证梁面的一排筋均能贯穿型钢柱腹板连通设置(相对于与型钢柱腹板相交的一排筋)。最终具体的梁钢筋排布方式由施工单位配合钢结构公司，根据以上所述原则及相关规范图集与进行进一步的深化设计。

3 结语

由于建筑在功能使用及布置上要求，决定了本工程的结构形式为“框架－核心筒”，所以该结构在体系层面上可优化的余地不大。不过从本案例可见，仅仅是基于构件层面上的设计优化就能为工程节约不菲的投资资金，获得最佳的使用功能，并为工程的顺利进行奠定了坚实的基础，充分体现了结构优化的“安全、经济、美观适用与方便施工”的准则。

“某工程广场”于2014年1月设计，同年8月份开始施工，经过与施工单位的密切配合，于2015年8月顺利封顶。

［1］GB 50011－2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.

［3］04SG523，型钢混凝土组合结构构造［S］.

［4］12SG904－1，型钢混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图［S］.

Analysis on the design optim ization of the steel reinforced concrete structure

WENGXi
(Fujian Fuzhou University Architectural Design CO.LTD，Fuzhou 350002)

Combined with practical engineering，this paper describes the construction optimization designs of SRC frame－corewall structure of the section of the SRC－column、the height of coupling beam and the construction of the beam－column joint.It also describes related criteria of the structure optimization.

Structural design optimization;Frame－corewall structure;Steel reinforced concrete

TU973+.3

A

1004－6135(2015)11－0043－03

翁熙(1980－ )，男，工程师。

2015－09－08

翁 熙(1980－ )，男，本科，工程师，一级注册结构工程师，主要从事混凝土及钢结构的设计及研究方面的工作。