剪力墙住宅含钢量优化控制的量化方法

张 凯 静

(中南建筑设计院股份有限公司，湖北 武汉　430071)

随着房地产行业不断发展，设计单位通过精细化设计提高自己在市场上的竞争力。大量的数据表明住宅类项目土建成本占建安成本的40%～60%，其成本的控制很严格。含钢量作为最易控制成本的指标，通常会被业主重点的关注。国内许多地产公司与设计院签订的项目合同条款中会给出含钢量的限值，从而达到控制成本的目的。

含钢量又称为单位面积钢筋含量，以工程中钢筋总量除以建筑面积得来。影响钢筋用量的因素很多[1]：

1)自然条件：地震作用，基本风压，场地与地基，气候条件；

2)建筑方案：建筑规则性，平面尺寸，层高和总高；

3)结构方案：竖向构件结构布置，水平构件布置。

表1为国内知名房企对多、高层住宅标准层含钢量的限值要求。

表1　国内知名房企对多、高层住宅标准层含钢量的限值要求　kg/m2

高层住宅类项目钢筋的用量主要来自于剪力墙(柱)、梁、板。其中剪力墙(柱)占钢筋总量的50%～60%，梁占钢筋总量的25%～30%，板占钢筋总量的15%～20%，剪力墙(柱)的影响比重最大。

合理的剪力墙数量可有效的降低含钢量，如何确定合理的剪力墙数量，本文通过轴压比和层间位移比的控制，明确剪力墙住宅合理的剪力墙数量，并量化其指标。

1　轴压比限值法

轴压比限值法：以整个标准层平面的剪力墙作为研究对象，用规范中对剪力墙轴压比的限值作为要求，进行剪力墙最少数量的判定，此时统计出来的剪力墙数量是满足规范下限的最少剪力墙数量。

高规[2]、抗规[3]中要求：重力荷载代表值作用下，一、二、三级剪力墙墙肢的轴压比不宜超过限值，如表2所示。

表2　一级～三级剪力墙肢的轴压比限值

1.1　单位面积含墙率的定义与使用方法

单位面积含墙率=Aw/(NA)。

其中，Aw为标准层的剪力墙全面积；A为标准层的结构全面积；N为某标准层以上楼层总数。

根据大量工程的统计，采用普通轻质填充墙(墙质量密度为1 t/m3～1.3 t/m3)的各类现浇钢筋混凝土民用高层建筑结构的总质量按总建筑面积平均计算，范围如表3所示[4]。

表3　高层结构的平均质量范围表

对于剪力墙住宅建筑，取某一层作为研究对象：

平均面积重力荷载代表值=1.2×(恒+0.5×活)=1.2×(14+0.5×2.0)=18 kN/m2。

18×N×A≤fc×Aw×μ。

单位面积含墙率最低限值见表4。

表4　单位面积含墙率最低限值　%

单位面积含墙率最低限值为满足规范的最少剪力墙量，如果设计小于最低限值，则说明该设计不满足规范要求，有安全隐患。考虑建筑平面荷载的变化，功能布置的不规则，最低限值可适当修正调整，但如果设计中，单位面积含墙率过高，超过规范最低值数倍，则说明该建筑平面和结构布置仍有较大调整空间。

1.2　工程实例

本工程位于湖北省武汉市江夏区，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，地上31层，层高2.9 m，地下2层。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，抗震等级为三级，设计完成时间为2016年。

对于住宅建筑，一、二层经常用作架空层或者商业服务网点，因此以第三层作为第一个分析对象。高层建筑混凝土强度等级通常随着楼层高度逐渐递减，因此把混凝土强度等级发生变化的楼层作为第二个、第三个分析对象。

表5　混凝土强度等级变化情况(一)

5号，6号楼(31层)随着楼层高度变化，混凝土强度等级变化见表5，优化前后平面布置见图1，图2。

1)优化后的第3层、第9层、第17层的单位面积含墙率比优化前节省了28%。

2)优化后的第3层、第9层、第17层的单位面积含墙率比规范的最低限值高出了12.5%，27.8%，71.4%。

轴压比限值法作为剪力墙住宅项目优化处理的方法，可以量化优化前后的数据，并进行方案比选。考虑模板的周期使用和施工的进度，竖向构件没有做进一步的调整，但其计算结果说明该项目还有进一步优化的空间，优化前后单位面积含墙率对比见表6。

表6　优化前后面积含墙率对比

2　层间位移比法

层间位移比法：层间位移比是控制结构整体侧向刚度的重要指标，与建筑物的平面形状、高宽比、剪力墙布置密切相关，通过控制两个方向的层间位移比，优化剪力墙布置。

高规[2]、抗规[3]中要求：按弹性方法计算的风荷载或多遇地震标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比Δu/h宜符合表7规定(高度h≤150 m)。

表7　楼层层间最大水平位移与层高之比

住宅类的剪力墙结构应沿结构两主轴方向均匀布置剪力墙，并宜使两个方向的刚度接近。

剪力墙结构需控制剪重比、刚重比、位移比、周期比、高宽比等指标。在各项指标满足规范的情况下，X，Y方向的位移比宜控制在1/1 000～1/1 300左右，位移比过大满足不了规范要求，位移比过小说明结构在某个方向刚度过大，剪力墙过多。

工程实例：本工程位于湖北省荆门，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构，地上25层，层高2.9 m，地下2层。抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度，抗震等级为三级，设计完成时间为2017年。

9号楼(25层住宅)随楼层高度变化混凝土强度变化见表8，优化前后平面布置见图3，图4。

1)优化后的第9层、第17层的单位面积含墙率比优化前节省了21.3%。

表8　混凝土强度等级变化情况(二)

2)优化后的第9层、第17层的单位面积含墙率比规范的最低限值高出了33.3%，128.6%。

3)X方向刚度偏大，该向的剪力墙应适当调整。

层间位移比法作为剪力墙住宅项目优化处理的方法，可对项目的布置调整提出指导性意见。在满足施工进度的情况下，竖向构件如果能分段设置，即可进一步优化布置，达到节能降耗的目的，结构优化前后楼层位移比及单位面积含墙率对比见表9。

表9　结构优化前后楼层位移比及单位面积含墙率对比

3　两种方法的综合应用

轴压比限值法可确定其最小含墙率，层间位移比法为下一步的结构调整提供依据。两种方法综合应用，将能更有效的、有目的性的、有方向性的进行设计。

4　结论与建议

剪力墙住宅结构含钢量受多方面因素影响，结构设计人员虽无法改变场地自然条件等因素，但可通过精细化的设计降低含钢量。本文提出轴压比限值法和层间位移比法，结合工程实例，论证两个方法的适用性和有效性，量化了优化的过程，并为下一步的设计提供可行性方案。

参考文献：

[1]张卫成.剪力墙住宅含钢量影响因素[J].华北地震科学，2016，7(34)：40-44.

[2]GB 50011—2010,建筑抗震设计规范(2016年版)[S].

[3]JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[4]傅学仪.实用高层建筑结构设计[M].第2版.北京：中国建筑工业出版社，2010.