混凝土多层框架结构含钢量的优化设计措施探讨

杨军

河南鑫广和园林工程有限公司 河南安阳 455000

摘要：随着我国建筑技术的不断发展，科学合理的控制混凝土结构中的刚含量，不仅能节省工程的整体造价，同时还能避免不必要的材料浪费。然而在实际施工中，合理的减少含钢量会带来积极的作用，不合理的减少将会对整个建筑造成极其严重的影响。在此，本文针对混凝土多层框架结构含钢量的优化设计措施做如下论述。

关键词：混凝土结构；含钢量；优化设计；经济性

21世纪后，一些建筑专业网站，如建筑工程造价网站发布了典型建筑工程的技术经济指标。根据上述历年统计数据，汇总出各类钢筋混凝土结构实际的含钢量，数值均不考虑地下室和桩基，若考虑桩基应增加10%左右。而单独计算地下室，其含钢量为80～490kg m2（上限为考虑人防）。表中数值只反映通常的情况，某些特殊工程，其含钢量会相差很大。还应指出，采用轻型钢结构的厂房和住宅，虽然为全钢结构，但它们的含钢量比钢筋混凝土结构多不了多少。

1.建模计算阶段

合理的结构布置、正确的荷载取值与适当的计算参数选择，是减少用钢量的前提。在建筑方案设计的阶段，结构设计人员就应及时参与，对于建筑形体及其构件布置规则性的要求，通过与相关专业的沟通，对建筑的平、立面布局以及承重构件的布置提出合理化建议，尽量避免或减少诸如凹凸不规则、楼板局部不连续、竖向不规则等造成用钢量大幅上升的先天性缺陷。在结构建模的阶段，应严格按照建筑功能，确定各处恒、活荷载的取值，不应随意放大（亦不可在无明确依据支持的情况下擅自折减），在保证结构安全的前提下，忠实于实际工况选择正确的折减系数。在结构模型调试的阶段，对周期折减系数、梁弯矩放大系数、梁刚度放大系数、地震信息的相关参数等予以适当选择、正确定义，可以合理控制结构刚度、避免因過度吸收地震力而造成的配筋增大。对于高层结构，剪力墙的布置往往对工程造价有着较大的影响。应尽量保证剪力墙落地，避免框支。均匀合理地布置墙体，使墙体钢筋计算结果尽可能地趋近构造配筋，是结构设计师们不断努力的方向。剪力墙的布置并不是越多越好，如果一味地提高结构的侧向刚度，反而会吸引更大的地震作用力，且增加不必要的造价。在建筑物平面的中心区域往往存在较多的竖向交通井，如楼梯间、电梯井、设备管道井等，由于其位于平面内部，此处布置的墙体对结构的整体刚度帮助并不大，故一般不宜在井道周围布置较多的剪力墙。相较于内部的墙体，外围墙体对提高结构整体刚度的效果更好，尤其是山墙部位的墙体。均匀、分散地把较多的剪力墙布置在结构平面的外围，适当减少中间部位的剪力墙，可以更有效地发挥墙体的强度、提高结构抗扭性能，达到其利用率的最优化。剪力墙的分布钢筋大多是依构造要求配置，其数量难以进一步降低，应从边缘构件着手，减少其数量及配筋。如能尽可能多布置较为长肢的墙体，暗柱等边缘构件的数量及其纵向配筋率均可进一步降低。

2.施工图设计阶段

在施工图设计周期主要通过精细而合理的构造措施，来实现对用钢量的控制。其经济性可以较为直观地看到，并且容易进行量化的比较。在工程实践中，设计人员常使用如下一些构造措施（本文仅讨论±0.00 m以上结构部分，地下结构不在本文论述范围之内）。

（a）剪力墙构造配筋优化。墙体竖向分布筋与水平分布筋并不一定要采用相同的直径，满足构造要求及最小配筋率即可，《建筑抗震设计规范》（GB 5001—12010）（以下简称《抗规》）第6.4.4条规定：抗震墙竖向和横向分布钢筋的直径，均不宜大于墙厚的1/10且不应小于8mm；竖向钢筋直径不宜小于10 mm。对于轴压比满足《抗规》第6.4.5条相关规定的墙体，设置构造边缘构件即可。边缘构件的设计亦建议采用多种规格的钢筋组合，例如：内墙非底部加强部位的400 mm×200 mm暗柱，抗震等级如为三级，按构造边缘构件可配置4Φ12 mm+ 2Φ10 mm的纵筋。

（b）框架梁配筋优化。《抗规》第6.3.4条规定：（b）框架梁配筋优化。《抗规》第6.3.4条规定：沿梁全长顶面、底面的配筋，一、二级不应少于2Φ14 mm，且分别不应少于梁顶面、底面两端纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级不应少于2Φ12 mm。笔者认为，规范并未硬性要求框架梁上部钢筋一律取支座的2 根角筋通长布置，亦无此必要。对于三、四级框架结构，当支座负筋直径较大时，可采取分离式配筋，以较小直径（2Φ12 mm或2Φ14 mm）的架立筋拉通，并连接支座角筋，可以有效地减少钢筋用量。另外，《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（以下简称《混规》）第9.2.13条规定：梁的腹板高度不小于450 mm时，在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋。每侧纵向构造钢筋的间距不宜大于200 mm，截面面积不应小于腹板截面面积的0.1%，但当梁宽较大时可适当放松。不少结构设计师在实践中普遍设置Φ12 mm@200 mm的腰筋，并按梁的总高计算需要的腰筋根数。而实际上，扣除楼板厚度之后，规范所要求的腹板高度是小于梁高的，对于宽度为200 mm的梁，设置Φ10@200 mm的腰筋亦能满足最小配筋面积的要求。

（c）楼板配筋优化。三级钢筋强度设计值为360N/mm2，而一级、二级钢筋的强度设计值分别为 270 N/mm2、300 N/mm2。选用三级钢筋可显著提高用钢

量的节约率，因其强度分别为一级、二级钢筋的133.3%和120%，而价格仅仅约为前两者的105%。

3.基础拉梁设计应适当

多层框架房屋基础埋深值大时，为了减小底层柱的计算长度和底层的位移，可以在±10.000以下适当位置设置基础拉梁，但不宜按构造要求设置，宜按框架梁进行设计，并按规范规定设置箍筋加密区。但就抗震而言，应采用短柱基础方案。一般说来，当独立基础埋置不深，或者虽然埋置较深但采用了短柱基础时，由于地基不良或柱子荷载差别较大，或根据抗震要求，可沿两个主轴方向设置构造基础拉梁。基础拉梁截面宽度可取柱中心距的1/20～1/30，高度可取柱中心距的1/12～1/18。构造基础拉梁的截面可取上述限值范围的下限，纵向受力钢筋可取所连接柱子的最大轴力设计值的10%作为拉力或压力来计算，当拉梁上作用有填充墙或楼梯柱等传来的荷载时，拉梁截面应适当加大，算出的配筋应和上述构造配筋叠加。基础构造拉梁顶标高通常与基础高或短柱顶标高相同。在这种情况下，基础可按偏心受压基础设计。当框架底层层高不大或者基础埋置不深时，有时要把基础拉梁设计得比较强大，以便用拉梁来平衡柱底弯矩。这时，拉梁正弯矩钢筋应全跨拉通，负弯矩钢筋至少应1/2拉通。拉梁正负弯矩钢筋在框架柱内的锚固、拉梁箍筋的加密及有关抗震构造要求与上部框架梁完全相同。此时拉梁宜设置在基础顶部，不宜设置在基础顶面之上，基础则可按中心受压设计。

总 结：

在深刻理解了规范条文的前提下，选择了合理的构造措施，采用了多种途径对结构进行优化，可以较为有效地减少结构的含钢量，提高结构的经济性、降低造价。

参考文献：

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