某地下室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟性比較

1、浙江建筑第28卷第5期,2011年5月Zhejiang Construction , Vol. 28 , No. 5 , May 201 1某地下室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟性比較Optimal Design and Economical Comparison of a Basement Structure徐曉紅»劉國光S徐有華'XU Xiao-hong t UU Guo-gnang XU You-hua(1 浙江人學(xué)建筑設(shè)計研究院浙江杭州31OO27；2.中恫民航大學(xué)機場學(xué)院天津30030()；3嘉徳迎地訝理(±海)仃限公詢上海200001 )摘 要:介紹了菜兩層地F宰

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程及經(jīng)濟件比較方法対樁旱礎(chǔ)、地卜凈底板、側(cè)墻及人防頂板進行了結(jié)構(gòu)設(shè) 計優(yōu)化丿述過枚舉法比牧門也卜室底板、人防頂板的造價隨結(jié)構(gòu)形式的變化川穹距圖分析法優(yōu)化了地卜-室側(cè)墻哉面尺寸.得到 了木項目的晟優(yōu)設(shè)計方案及同類創(chuàng)趣的優(yōu)化思路可為類似項R設(shè)計提供參考關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計;結(jié)構(gòu)選型;枚舉法;經(jīng)濟性比較中圖分類號:T1922文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1008 -3707 G011 )05 -0023 -04© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,

3、© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 收稿日期：2011 -02 - 25作者簡介：徐曉紅0974-).女，遼寧瓦房店人工程師,從事混凝I結(jié)構(gòu)方血的研九結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是近年來隨著房地產(chǎn)帀場的發(fā)展 而口益得到巫視的成本控制方法。同時，介理降低上 建成木、節(jié)省無效投資也是節(jié)約型祉會的要求。結(jié) 構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可分成不同階段如結(jié)構(gòu)選型階段、設(shè)計 優(yōu)化階段、施工控制階段等。對此設(shè)計研究人員已 經(jīng)進行了一定探討，如通過方案階段的選型控 制、模糊綜合評判方法'等分析

4、結(jié)構(gòu)選型階段的 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法決時適等利用半衡原理討論三層 地下室底板優(yōu)化;馬宏旺4等比較了結(jié)構(gòu)造價和失效 概率Z間的近似關(guān)系。但是，結(jié)合工程實例系統(tǒng)地討 論結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的文章尚不多見。木文竝于工程 實踐提出了操作性強、效果明顯的地下室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè) 計方法J為類似項冃控制土建成本提供經(jīng)驗參考。1工程概況本文介紹的地卜室共2層，總建筑面枳24 926 m2. 裙房3層，上部兩棟塔樓，一為辦公樓，一為酒店。 建筑場地類別為W類,特征周期為0.90 so根據(jù)地 勘報告可知擬建場地加濱海平原地貌類型門然地 而標(biāo)高約在400 5. 24 n】Z間°2地下室底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法及經(jīng)濟 性比較

5、2. 1地下室底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通過計算水浮力及結(jié)構(gòu)自重作用下的底板抗彎 強度、抗裂 廻水().2 mm,背水().3 mm )及抗沖切形 成了腳套設(shè)計方案：方案A儺下車庫底板800 nun 孩心筒下部底板1 500 mm )和方案B哋卜車庫底板 700噸核心筒下部底板1 400 nun )-方案A屬于布 規(guī)設(shè)汁值，方案B則是通過成本關(guān)系曲線利用枚舉 法鎖定的優(yōu)化目標(biāo)值。為實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)值，利用T TBSP2007建模比 較兩套方案的計篦療矩發(fā)現(xiàn)底板療度減小導(dǎo)致截 面剛度降低、計算水浮力增加，引起X向及Y向計 算彎曲局部顯非增加(參見公式1人由于軟件考農(nóng) 了樁壟彈性支撐作用，群樁作用時彈性支撐作用

6、削 弱引起鍋底變形，因此14以考慮改變布樁密度(如 加人樁數(shù)或調(diào)整布樁位豐等)來控制位移沉降差。 同時適半增加核心筒下抗壓樁數(shù)最，減小核心筒與 周邊底板沉降差。通過上述措施，減小了底板計算 © 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期徐曉紅等以地卜電的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟性比較27彎矩并在不改變地卜車庫通配鋼筋、適當(dāng)増加塔樓 附近加強區(qū)鋼筋的條件K板厚減小100 nimo式（1 ）中Nab-底板彎矩（N-m）;i底板轉(zhuǎn)動剛度；Aab代表底板變形；/-A點和

7、B點Z間的距離。2.2 地下室底板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計經(jīng)濟性比較根拯市場價格鋼筋5 000元/I,混凝土 380元/nF 某坑悴I護2 80（）元/ in2 抗拔樁2 4（X）元/根，土方開挖 100元/川對底板進行了價恪分析見表1 （負號表 示成本節(jié)約，正號表示成本增加）表1底板厚度對成本影響的分析表底板力案KOO mm800 iimiiP/700 iihiiJ1/650 tiimj1/厚加EA）。案 A 優(yōu)化）C09K B ）（比牧力案）底板 ©259150：配筋決 150150G22 辺 150頂板20（叭50;幅部©22© 150 ）（討部少淤150 ）那

8、9;乂，150 ）（JnifK150 ）制筋Vtt0-163.5 彷元）-158.5 （/J7C ）-35.5 元）上方開挖00-12 0;元）-18 （萬元）00-45.6 彷元）-64.8厲元）基坑m護00-16. 1 彷元）-24.1仿元）450根 74根00+ 12 （/j 兀）+ is 元）總價搐0-163.5 （7J元）-220.2 （77元）-124.4 （77元）通過表1町見，板厚800 mm時，方案B通過減小 底板沉降位移差，成本較方案A節(jié)約163.5萬元曲 底板厚度減小到700 mm時較方案B進步節(jié)約成本 56. 7萬元;半板庁減小到650 mm時，結(jié)構(gòu)成本較方案 B反而增

9、加95. 8萬元即底板成本隨板厚變化出現(xiàn) 最優(yōu)值點。板厚700 mm時底板位移見圖1 核心筒城 人位移為36 n叫與核心筒樸|鄰區(qū)域位移29 mm,純地 卜車庫位移22nz。沉降變化均勻合理，對底板彎矩 影響小，配筋率100 kg/m2,為同類項目的較低值（常 規(guī)含鋼量130kg/m2 ）.通過上述分析可見控制底板沉降位移差可冇 效減小含鋼帚:;減小板厚町節(jié)約混凝土用帚及基坑 圍護費）U，比a雖較鋼筋節(jié)約最低，但費用仍可觀. 因此，成本關(guān)系曲線配合枚舉法試算可在設(shè)計階段 有效降低成本并提島決策速度。3樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計方法及經(jīng)濟性比較3. 1 樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計為了合理選擇程樁的承載力設(shè)計值優(yōu)化管圖1

10、底板位移分布圖樁數(shù)気，該項H對抗拔樁和抗壓樁進行了試樁，試樁 方法見圖2、圖3。通過試樁，得到了（AS關(guān)系曲線、 54gr關(guān)系曲線、"關(guān)系曲線及也關(guān)系曲線（見圖 4圖7）.通過分析町發(fā)現(xiàn)，抗拔樁址大上拔最 13.37 mm,繪大回彈量7. 16 mm,回彈率53.6% ;抗 壓樁蟻人沉降最9. 97 mm, Iji人回邨；&4. 64 mm.回 彈率46. 5% o試樁前后通過低應(yīng)變測試管樁樁身 質(zhì)最.試驗結(jié)果表明抗壓管樁在樁身結(jié)構(gòu)完好、樁頭 填芯加I占I處理的情況卜，單樁豎向抗斥極限承棧力 標(biāo)準(zhǔn)值為7 680 kN,對于島強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，因 其強度高、脆性人，旦樁身出現(xiàn)

11、缺陷（或破損），樁 幻結(jié)溝承載能力降低速度快。本次檢測的6根試 樁川現(xiàn)2根界常樁:為未填芯導(dǎo)致樁頭壓碎. 為土體破壞?？紤]到上述情況抗壓樁承載力取 4 250 kN.較原設(shè)計承載力提高12%.在樁身結(jié)構(gòu)完 好、樁頭填芯加I占I處理的情況F單樁豎向抗拔極限 承載力標(biāo)準(zhǔn)值為950kN,較原設(shè)計承投力捉高5%。3.2 樁基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟性比較通過試樁，樁廉礎(chǔ)的承載力設(shè)計值在地勘報吿 建議值的基礎(chǔ)上取較高值，管樁數(shù)最顯善降低?？?壓樁數(shù)戢減小142根成本降低109萬元;抗拔樁數(shù) 最減小6（）根，成木降低14.4萬元?？梢娫嚇秾μ?高樁皋承載力設(shè)計值、減少匸程樁數(shù)最、控制成本, 效來顯善。圖2抗拔靜荷

12、栽試駱設(shè)術(shù)安裝示亶圖圖3豎向靜荷載試驗設(shè)備安裝示通圖圖4 關(guān)系曲線切.003.003383黑"U9.&7.6,43210 iN.950kN.855kN _760 kN 665 kN一i_570kN 475kN:=蟄爪 y |90 kN1530 45 60 90120240"min圖6 0s關(guān)系曲線7 & 9 r Univ"Mhin1530 4560 90120300I ir/u kNfI 200kN I 400 kNiI 600 kNI 800 kN 2000kN圖5 6坎(關(guān)系曲線圖7卜1劉關(guān)系曲線4地下室側(cè)墻優(yōu)化設(shè)計方法及經(jīng)濟性比較4. 1 地

13、下室側(cè)墻優(yōu)化設(shè)計地卜室側(cè)墻的優(yōu)化設(shè)計特點為分層變截面，地 下2層(B2 )高3 90() mm,側(cè)墻厚500 mm,地卜T 層 (B1 )層高4 100 mm,側(cè)墻厚400 mm。原因是水斥力 及施工堆土荷戰(zhàn)作用卜結(jié)構(gòu)的彎矩(見圖8)在B2 層嵌固端垠人，在B1層支座處次Z,兩者均處于迎 水而,抗裂要求嚴。如果按照B2層嵌曲端位宣的 計算值貫通配筋,將導(dǎo)致B1層鋼筋浪費;如果在B1 以減小鋼筋截面，則導(dǎo)致兩種鋼筋搭接的施丁不便 且鋼材也浪費。因此在配筋不變的情況下旳層截 面較B2層減小100 mm在節(jié)省混凝土用帚:同時取 消構(gòu)造配筋，室內(nèi)有效面枳增加。-O.UN)圖8側(cè)墻計算彎矩圖4.2 地下

14、室側(cè)墻優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟性比較在不引起結(jié)構(gòu)配筋增加的基礎(chǔ)上地下室剪力 墻厚度減小10() mm.節(jié)省混凝土成本& 9萬元節(jié) 省構(gòu)造鋼筋14萬元，合計22.9力元。增加使用面 積58亦，按地價折算成本節(jié)約58萬元。5地下室人防頂板優(yōu)化設(shè)計方法及經(jīng)濟性 比較5. 1 地下室人防頂板優(yōu)化設(shè)計本項冃人防設(shè)置在地下2層抗力等級6級頂 板厚度依照人防設(shè)計規(guī)范婆求不小于250 mm。先 按常觀方法設(shè)計了人板方案600 nun厚)，后比較了 250 mm號頂板結(jié)介I字梁、井字梁兩種結(jié)構(gòu)布置方 案。發(fā)現(xiàn)肖采用井字梁方案時人防頂板配筋為構(gòu)造 值625大板方案由于鋼筋須連續(xù)貫通，因此頂部鋼筋由支應(yīng)控制為3 14

15、() 2/叫底板鋼筋由計 算控制為1 274 mm2/m,十字梁樓板配筋介于井字梁 和人板Z間；框架梁配筋結(jié)果差異不人。因此，考世 人防荷載井字梁方案最優(yōu)。比較人防頂板同地下室底板兩者荷載水平接近 CK防荷載設(shè)計ffi65kN/mm地下室底板水浮力設(shè) 計值77 kN /mm2 )，但選擇了不同的結(jié)構(gòu)布置形式。 這是由于地卜室底板令最小厚度及裂縫控制要求即 使采用梁板式結(jié)構(gòu),也會增加鋼筋用暈。另外底板施 工如果采川I字梁或井字梁,將會增加施工難度拖 延工期，這部分間接成木也是建設(shè)單位要考老的。5.2地下室人防頂板優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟性比較柑比于大板方案，扣除井字梁（十字梁）伏I設(shè)置 次梁而增加的混凝土

16、利鋼筋,8.6mx8.6m板塊井 字梁方案可節(jié)省2萬元，十字梁方案可節(jié)省1.5萬 元。因此,木項目人防頂板采用井字梁方案最經(jīng)濟。6結(jié)語本文結(jié)合實例進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化節(jié)省了成本約 420萬元,達到了優(yōu)化目標(biāo)值，取得了較好效果。歸 納地下室常用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法如下：（1）樁基優(yōu)化。試樁以提高設(shè)計承載力，少于 兩層地下室盡可能采用預(yù)制樁；介理布樁不是樁數(shù) 越少越好，適為增加樁數(shù)不但對以増加結(jié)構(gòu)安全儲 備、為使用后的改造提供便利還對以通過合理補樁 減小沉降位移差來節(jié)省地卜室底板配筋。Q）地下室底板。宙于管樁進入底板需要有 定長度，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化耍控制介理的會筋率而不是 味地減小板厚。同時板厚存在個最優(yōu)值點

17、，大 于或小于該值都會造成浪費。（3）地卜室側(cè)墻。根據(jù)彎矩圖形狀及支朋負彎 矩值,采用變截面剪力墻。但如果地F1層層高大, 負療矩控制值出現(xiàn)在地下1層樓板位置，則無法采 用此方法。4）井字梁和十字梁。對于室內(nèi)荷載較大的區(qū) 域采用十字梁或井字梁減小厚板以盡帚優(yōu)化板 的含鋼率。經(jīng)比較，對于8.6mx8.6m板塊當(dāng)荷載 設(shè)計值M700nw覆土重最時，井字梁經(jīng)濟性優(yōu)于十 字梁參考文獻1 対國光杭州來福七廣場復(fù)雜趙高層結(jié)構(gòu)選烈分析J.廣東 土木與建筑.2008 9 ）：9】1.2 徐曉紅.劉IR光徐沖.上海某超隕高層酒店結(jié)構(gòu)抗粽設(shè)計J.浙江建筑.2009.26 6 ）:15-18.3 徐曉纖劉IR光.趙

18、彩榮等.模糊綜介評判方法在建筑結(jié)構(gòu)選 型中的應(yīng)用J.建筑經(jīng)濟,2009 S1 ）：24 -26.馬宏旺R西林鋼筋混凝上檳架結(jié)枸造價咕失效概率Z間的 近似關(guān)系研究J.地農(nóng)工稈與匸程攝動.2003.23 0 ）:125 - 131.© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期徐曉紅等以地卜電的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及經(jīng)濟性比較#© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第5期徐曉紅等以地卜電