討論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)約用鋼量的方法.doc

討論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中節(jié)約用鋼量的方法(2009-07-2820:39:01)一、影響用鋼量的宏觀因素：影響建筑物結(jié)構(gòu)用鋼量的宏觀因素，首先是建筑物的體型（平面長(zhǎng)度尺寸及長(zhǎng)寬比、豎向高寬比、立面形狀等），其次是柱網(wǎng)尺寸、層高以及主要抗側(cè)力構(gòu)件所在位置等。1平面長(zhǎng)度尺寸：即結(jié)構(gòu)單元是否超長(zhǎng)，當(dāng)建筑物較長(zhǎng)，而結(jié)構(gòu)又不設(shè)永久縫時(shí)就成為超長(zhǎng)建筑。超長(zhǎng)建筑由于必須考慮混凝土的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力，它相對(duì)于非超長(zhǎng)建筑主要對(duì)待的僅是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，其單位面積用鋼量顯然要多些。2平面長(zhǎng)寬比：平面長(zhǎng)寬比較大的建筑物，不論其是否超長(zhǎng)，由于兩主軸方向的動(dòng)力特性（也即整體剛度）相差甚遠(yuǎn)，在水平力（風(fēng)力或地震）作用下，兩向構(gòu)件受力的不均勻性造成配筋不均。3豎向高寬比：這主要針對(duì)高層建筑而言，高寬比大的建筑其結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性肯定不如高寬比小的建筑，為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定并控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，勢(shì)必要設(shè)置較剛強(qiáng)的抗側(cè)力構(gòu)件來(lái)提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，這類構(gòu)件的增多自然使得用鋼量增多勻，使得其單位面積用鋼量相對(duì)于平面長(zhǎng)寬比接近的建筑物要多。4立面形狀：這是指豎向體型的規(guī)則性和均勻性，即外挑或內(nèi)收程度以及豎向剛度有否突變等。如側(cè)向剛度從下到上逐漸均勻變化，則其用鋼量就較少，否則將增多，較典型的有豎向剛度突變的設(shè)轉(zhuǎn)換層的高層建筑。5平面形狀：若平面較規(guī)則、凹凸少則用鋼量就少，反之則較多，每層面積相同或相近而外墻長(zhǎng)度越大的建筑，其用鋼量也就越多，平面形狀是否規(guī)則不僅決定了用鋼量的多少，而且還可衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣，從這點(diǎn)上分析得知用鋼量節(jié)約的結(jié)構(gòu)其抗震性能未必就低。6柱網(wǎng)尺寸：包括柱網(wǎng)絕對(duì)尺寸及其疏密程度，它直接影響到樓蓋梁板的結(jié)構(gòu)布置。一般而言，柱網(wǎng)大的樓蓋用鋼量較多，反之雖則較少，但同時(shí)因柱數(shù)增多而使柱構(gòu)件用鋼量增加，其中柱端及梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)加密箍筋的增加量幾乎占全部增加量的50。柱網(wǎng)尺寸較均勻一致不僅使結(jié)構(gòu)（包括柱和梁）受力合理，而且其用鋼量要比柱網(wǎng)疏密不一的要節(jié)省，這點(diǎn)似乎不難理解。7層高：對(duì)于高層建筑而言，層高與用鋼量之間很難確定某種關(guān)系，換言之不能肯定層高對(duì)用鋼量的影響究竟有多大。就柱的箍筋而言，總高度相同的建筑物，層高較小即層數(shù)較多，其配筋量反而較多，但按單位面積攤銷后其用鋼量可能反而更少。至于跨層柱，由于其受力的復(fù)雜性以及截面較大，用鋼量一般比正常層高的柱要多。8抗側(cè)力構(gòu)件位置：剛度中心與質(zhì)量中心相重合或靠近，或者抗側(cè)力構(gòu)件所在位置能產(chǎn)生較大的抗扭剛度，結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)小，因而結(jié)構(gòu)整體用鋼量就少，反之則多。二、影響用鋼量的微觀因素影響建筑物結(jié)構(gòu)用鋼量的微觀因素主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作上，首先是結(jié)構(gòu)布置，其次是構(gòu)件的配筋構(gòu)造。1豎向構(gòu)件布置：有關(guān)柱網(wǎng)大小和疏密，基本上在建筑方案階段已經(jīng)確定，抗震墻的合理數(shù)量及合適位置一般也在結(jié)構(gòu)工種介入方案設(shè)計(jì)過(guò)程中得到確定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作就是合理地確定墻柱截面，墻柱一般是壓彎構(gòu)件，其配筋量在多數(shù)情況下至少是多數(shù)部位都采用構(gòu)造配筋，因此在其混凝土強(qiáng)度等級(jí)合理取值且滿足軸壓比要求的前提下，墻柱截面不宜過(guò)大，否則用鋼量將隨其截面增大而增加。住宅建筑的框架或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，有時(shí)為了在室內(nèi)不露柱角而將柱外露，且為了立面的需要又使柱截面上下一致，這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于小高層（+-層以下）住宅是可以接受的，倘若層數(shù)再多些，則采用該法肯定會(huì)增加用鋼量。即使從結(jié)構(gòu)受力角度看，這種設(shè)計(jì)方法也是不宜提倡的，因樓層荷載在柱位處會(huì)產(chǎn)生較大偏心，尤其是角柱。柱截面種類不宜太多是設(shè)計(jì)中的一個(gè)原則，在柱網(wǎng)疏密不均的建筑中，某根柱或?yàn)閿?shù)不多的若干根柱由于軸力大而需較大截面，而建筑考慮便于裝修則希望柱截面相同，此時(shí)如將所有柱截面放大以求其統(tǒng)一，勢(shì)必增加用鋼量。合理經(jīng)濟(jì)的做法應(yīng)是對(duì)個(gè)別柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以勁性鋼筋以提高其軸壓比，從而達(dá)到控制其截面尺寸的目的。這里運(yùn)用的是個(gè)別處理總比大面積增加用鋼量更科學(xué)經(jīng)濟(jì)的道理和做法2利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)最大，而內(nèi)部墻體則貢獻(xiàn)甚微。在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下，筒體內(nèi)部的剪力墻不宜過(guò)多過(guò)厚和過(guò)于零碎，否則會(huì)增加該部位墻體用鋼量且對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)大作用。從施工角度看，剪力墻形成的筒體越是完整劃一，施工就越方便。從受力角度看，筒體內(nèi)部隔墻若設(shè)梁支承于筒體外圍墻上，從而增大外圍墻的軸力避免受拉對(duì)其受力反而有利，尤其是內(nèi)筒的角部處。3如果是高層建筑，墻柱截面還有一個(gè)收級(jí)問(wèn)題。從節(jié)省用鋼量的角度出發(fā)，墻柱截面應(yīng)盡量小，只要符合50MM模數(shù)，幾乎可以每層都收級(jí)，但從結(jié)構(gòu)整體特別是從施工角度考慮，一幢高層建筑的墻柱截面變化過(guò)于頻繁、截面種類過(guò)多卻不科學(xué)，這種只看局部不顧整體、因小失大的做法是不妥當(dāng)?shù)?。正因如此，一幢?00米的高層建筑，其柱截面變化在正常情況下應(yīng)為34次即每58層變化一次，表面上雖然有悖于節(jié)省用鋼量的基本原則，但從混凝土結(jié)構(gòu)的施工效益來(lái)看，卻是必要和合理的4水平構(gòu)件布置：通常指的是樓層梁板構(gòu)件，其布置原則首先是受力傳力合理，其次是使用效果（包括視覺(jué)效果）良好，最后才是用鋼量的節(jié)省，設(shè)計(jì)中不能本末倒置。對(duì)于公共建筑的樓層，如結(jié)構(gòu)單元兩向主軸尺寸相近，則以兩向井字次梁布置；如兩向主軸尺寸相差甚大，則區(qū)分主、次框架，以典型的交梁樓蓋布置，其中板跨控制在約3米左右，板厚取100MM,對(duì)于住宅建筑，在34.5米正常開(kāi)間情況下，樓板厚度為100120MM,應(yīng)盡量增大板跨，而沒(méi)必要也不應(yīng)凡遇隔墻就設(shè)梁。當(dāng)采用高強(qiáng)鋼筋時(shí)，應(yīng)使板的配筋由內(nèi)力控制而非按構(gòu)造配筋，否則將得不償失。當(dāng)板跨小、布梁多時(shí)肯定用鋼量會(huì)增多，而且可能使樓面荷載多次傳遞，造成受力不合理。5以樁為基礎(chǔ)的地下室底板，采用梁板結(jié)構(gòu)要比采用平板式結(jié)構(gòu)更可節(jié)省用鋼量，本文所指的“梁板結(jié)構(gòu)”僅指柱網(wǎng)為整間大板的結(jié)構(gòu)，如果柱網(wǎng)中添加了次梁，則不僅使施工更為復(fù)雜，而且還會(huì)增加用鋼量，這一點(diǎn)已在大量工程中得到驗(yàn)證。以豎向交通井道形成的筒體，采用樁基礎(chǔ)一般都形成多樁承臺(tái)。布樁時(shí)應(yīng)使樁處于墻體下，這時(shí)承臺(tái)避免受剪甚至能抗彎，其厚度可較小，采用構(gòu)造配筋率配筋則其配筋量就較少。但大多情況下，布樁無(wú)法都設(shè)在墻體下，而使承臺(tái)受剪受沖切，為了滿足其受剪受沖切，設(shè)計(jì)中應(yīng)從加大承臺(tái)厚度或提高承臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)著手，而不宜采用增加配筋來(lái)滿足其抗剪或抗沖切要求，否則將使用鋼量大增。此外，由承臺(tái)混凝土來(lái)滿足抗剪抗沖切后，承臺(tái)的配筋就可采用低配筋率而不應(yīng)也沒(méi)必要提高配筋率。6當(dāng)前流行的豪宅大面積客廳，其空間面積達(dá)40-60平方米，甚至更大，如此板塊采用普通混凝土平板，即使施加了預(yù)應(yīng)力，其用鋼量都會(huì)較多，其主要原因是板的跨度和自重均較大。大跨度由使用功能決定而無(wú)法改變，要節(jié)省用鋼量，只能往“自重”上考慮，即改變樓板的結(jié)構(gòu)形式。采用先進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)澆雙向空心樓板、加輕質(zhì)填充塊的雙向密肋樓板，都是可以考慮的徒徑。三、構(gòu)件的配筋構(gòu)造：由于設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確具體的規(guī)定，故設(shè)計(jì)中通常都不應(yīng)違反，但在符合規(guī)范規(guī)定的前提下，仍有不少設(shè)計(jì)技巧能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。1柱：設(shè)計(jì)中應(yīng)通過(guò)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理確定來(lái)控制其截面尺寸和軸壓比，使絕大部分柱段都是構(gòu)造配筋而非內(nèi)力控制配筋，此時(shí)柱主筋就可以按規(guī)定的最小配筋率或比其略高的配筋率選擇主筋規(guī)格；至于柱箍筋的體積配筋率，由公式可以看出，采用高強(qiáng)度鋼筋比低強(qiáng)度鋼筋更可節(jié)省用鋼量。結(jié)構(gòu)頂層邊柱尤其是抽掉中柱的大跨度邊柱，往往是大偏心受壓，其主筋配筋量由內(nèi)力控制且都較大，為了降低配筋率來(lái)節(jié)省用鋼量，通常采用改變柱豎向形狀的方法，如加腋。如改變后仍難以承受其所承擔(dān)的彎矩，有時(shí)干脆可將梁柱頂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)支，柱中心受壓或小偏心受壓，此時(shí)的邊柱也不必改變豎向形狀且截面可較小。對(duì)于多層地下室中負(fù)6層以下的柱段，由于其抗震等級(jí)的降低可使軸壓比提高，故節(jié)省用鋼量的途徑有以下幾種，包括：柱截面可與負(fù)6層保持一致而不需加大；非抗震結(jié)構(gòu)的中柱節(jié)點(diǎn)區(qū)由于有四向梁與之連接，其箍筋可僅沿節(jié)點(diǎn)周邊設(shè)置矩形箍而不需設(shè)置復(fù)合箍筋；多層及高層住宅建筑通常由于層高不大，柱主筋完全可以每?jī)蓪舆B接一次，既減少了豎向鋼筋的接頭數(shù)量，又節(jié)約了鋼筋。2梁：配筋大多由內(nèi)力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。從梁主筋最小配筋率及梁箍筋配箍率公式中可以看出，要使梁的用鋼量不太高，一是混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜過(guò)高，二是采用高強(qiáng)度鋼筋，前者不僅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作為受彎構(gòu)件的梁的抗裂性能。對(duì)截面寬度較小的梁，當(dāng)配筋量較大時(shí)往往需要放23排鋼筋，無(wú)疑將減小梁的有效高度，因此當(dāng)不影響使用或建筑空間觀感時(shí)，梁寬宜略為放大，盡量布置成單排主筋，尤其是梁截面高度不太大時(shí)，以達(dá)到節(jié)省鋼筋的目的?？缍容^大的懸臂梁，不論其承受的是均布荷載還是梁端集中荷載，其彎矩內(nèi)力都是急劇下降的，因此當(dāng)面筋較多時(shí)，除角筋需伸至梁端外，其余尤其是2排鋼筋均可在跨中切斷，既節(jié)省鋼筋又方便施工，是一種確實(shí)可行的方法。梁承受集中荷載處要配置附加橫向鋼筋（加密箍筋及吊筋）。正常結(jié)構(gòu)布置的樓層梁，每一處集中荷載一般都不太大，較大者也僅為,()3(8$。在通常情況下，僅在梁側(cè)配置加密箍筋已經(jīng)足夠，若再加配吊筋則已能承受更大的集中荷載。但設(shè)計(jì)中盲目加大吊筋直徑，既沒(méi)必要又會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)。3樓板：前面已提及現(xiàn)澆混凝土樓板的厚度通常在100以上，在此條件下宜將板跨增大，使其配筋為內(nèi)力控制而非構(gòu)造配筋，按此結(jié)果樓板配筋只有采用高強(qiáng)鋼筋才能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。對(duì)于大跨度雙向板，由于板底不同位置的內(nèi)力存在差異，設(shè)計(jì)中不宜以最大內(nèi)力處的配筋貫通整跨和整寬。為了節(jié)省用鋼量，一般應(yīng)分板帶配筋，其次當(dāng)板底筋間距為100或150時(shí)，不需將每根鋼筋都伸入支座，其中約半數(shù)鋼筋可在支座前切斷。當(dāng)板面需要采用貫通面筋時(shí)，貫通筋的配筋通常不需也不宜超過(guò)規(guī)定的最小配筋率，支座不足夠時(shí)再配以短筋，這樣既符合規(guī)范規(guī)定又可節(jié)省用鋼量。4抗震墻：分為加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位兩類，前者必須按約束邊緣構(gòu)件配筋，后者則按構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋。不管是節(jié)點(diǎn)區(qū)還是其余墻段，前者的配筋量均遠(yuǎn)大于后者，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格區(qū)分抗震墻的加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位，對(duì)鋼筋用量而言是具有很大意義的，而隨意擴(kuò)大抗震墻的加強(qiáng)部位肯定會(huì)增加用鋼量?？拐饓θ缒芎侠淼夭贾?、截面合理取值，其配筋多半不是內(nèi)力控制配筋而是構(gòu)造配筋，這樣其節(jié)點(diǎn)區(qū)主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋