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王濤

鞍鋼房地產(chǎn)開發(fā)集團建筑設(shè)計院有限公司

《pkpm新天地》第119期

0   前言

近些年來，由于經(jīng)濟形勢的不斷變化,，土地價格持續(xù)增長,土地成本相對增加,建設(shè)投資方及開發(fā)企業(yè)為了獲得更好的經(jīng)濟效益,，加強了對工程投資的關(guān)注和控制，這就需要建設(shè)各方從選擇材料,、施工工藝和設(shè)計優(yōu)化等方面進行建筑成本控制,。設(shè)計階段是決定建設(shè)項目投資控制效果的關(guān)鍵階段,工程設(shè)計是影響和控制工程造價的關(guān)鍵環(huán)節(jié),結(jié)構(gòu)用鋼量的高低成為成本控制的主要因素。因此,，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說,，需要在保證結(jié)構(gòu)安全、各項配筋構(gòu)造符合設(shè)計規(guī)范要求的前提下,，有效地降低建設(shè)成本,。

如何在結(jié)構(gòu)設(shè)計中有效地控制用鋼量，需要我們首先研究影響用鋼量的各種因素,。單個建筑物用鋼量的多少,，從大的方面來說，取決于建筑物所在地區(qū)的自然條件,、建筑物的建筑方案和結(jié)構(gòu)方案等,；從小的方面來說，取決于結(jié)構(gòu)計算假定,、荷載取值,、墻體材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施,、鋼筋強度等級,、混凝土強度等級等。

1   影響用鋼量的因素

1.1 自然條件

主要由建筑物所屬地區(qū)決定，包括建筑物所在地的風(fēng)壓,、地震作用,、場地條件等對結(jié)構(gòu)的影響。我們知道,，作用在建筑結(jié)構(gòu)上的外力,，除了結(jié)構(gòu)自重和附加恒活載外，還有地震作用和風(fēng)荷載等,。處在基本風(fēng)壓較大的地區(qū),，尤其對高層建筑而言，由風(fēng)荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大,，使得結(jié)構(gòu)用鋼量大,，反之則低。在氣候惡劣,、溫差變化劇烈的地區(qū),，為抵抗溫度應(yīng)力，需要增加抗拉性能優(yōu)良的鋼筋,，這會引起鋼筋量的增加,。建筑場地類別及地基承載力影響, 主要體現(xiàn)在以下幾個方面：不同的場地類別對地震作用的影響不同, 如Ⅲ類場地與Ⅱ類相比，場地對地震的放大作用更顯著一些,，使結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大15%～25%左右, 結(jié)構(gòu)鋼筋用量也相對增加；地基承載力較高時,基礎(chǔ)所需底面積相對小,基礎(chǔ)混凝土及鋼筋用量會減少,。建筑場地土質(zhì)差,，淺層土承載力低，持力層埋深大時,，需要采用樁基礎(chǔ)或很厚的鋼筋混凝土筏板,，含鋼量較大。

1.2 建筑平面布置及立面造型

由《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010中的相關(guān)條文要求可知：建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則,、對稱,，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則,，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化,。如果出現(xiàn)了規(guī)范中界定的平面不規(guī)則和立面不規(guī)則，則要對不規(guī)則結(jié)構(gòu)進行地震作用和內(nèi)力計算的調(diào)整,，并對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施,，這些都會引起結(jié)構(gòu)用鋼量的增加。

具體來說：若平面較簡單,、規(guī)則,、凹凸少，則用鋼量就少，反之則較多,，并且平面凹凸比較多時,，結(jié)構(gòu)設(shè)計的各項指標(biāo)也會趨于不合理,影響結(jié)構(gòu)的總含鋼量；若建筑物超長,，則由于必須考慮混凝土的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力,，其單位面積用鋼量要多些；若豎向結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度從下到上逐漸均勻變化,，則其用鋼量就較少,，否則若豎向有外挑、內(nèi)收,，或豎向剛度有突變,，用鋼量將增多。

1.3 結(jié)構(gòu)體系和方案的選擇

對于同一建筑物,，采用何種結(jié)構(gòu)體系,，需要結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)概念設(shè)計和各結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點，有著足夠清楚地認(rèn)識,。因為各結(jié)構(gòu)體系有著不同的工作機理,，在都能滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，各結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟性也不盡相同,。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用多種結(jié)構(gòu)方案,，并通過綜合比較，給出最經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案,。

例如：剪力墻（8度設(shè)防）結(jié)構(gòu)的用鋼量小于框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的用鋼量：剪力墻50～70kg/m2, 框架-剪力墻90～110kg/m2,。

大厚板結(jié)構(gòu)，如無梁樓蓋,，大柱網(wǎng)大開間的厚板等用鋼量大于一般框架梁加次梁的梁板式的用鋼量,。在建筑專業(yè)允許的情況下，做次梁加板（見圖1）的方案比做大厚板的方案節(jié)省5%左右鋼筋量,。

圖1 加次梁做法

1.4 荷載取值

結(jié)構(gòu)計算時,，荷載取值要符合規(guī)范及實際情況,不能隨意加大,因為荷載取值的加大會使結(jié)構(gòu)的用鋼量增加。荷載取值的加大,，使得整個結(jié)構(gòu)的總重量加大,，結(jié)構(gòu)的地震作用也相應(yīng)加大，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力增大,，配筋也就增加,；另一方面，結(jié)構(gòu)總重量的加大,，使得這個結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的力增大,，加大了基礎(chǔ)的用鋼量以及用樁數(shù)等,。

1.5 建筑墻體材料及裝飾材料

與2.4荷載取值對結(jié)構(gòu)用鋼量的影響類似，建筑墻體材料及裝飾材料的影響,主要體現(xiàn)在,，建筑設(shè)計時,，若選擇重量比較輕的材料, 則重量輕, 結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力小, 地震作用減小,鋼筋用量也小,結(jié)構(gòu)總重量減輕, 基礎(chǔ)設(shè)計能夠減小截面及配筋。

1.6 結(jié)構(gòu)計算假定

計算機軟件分析時, 所選計算模型和計算假定要與實際相吻合, 并應(yīng)用多方案進行優(yōu)化,。尤其是一些參數(shù)選擇對結(jié)構(gòu)配筋影響很大, 例如梁板跨中彎矩增大系數(shù),有些情況可以不增加,在實際中有的工程取值取1.2,，這樣跨中鋼筋就增加了20%,雖然增強了安全儲備,同時也增加了鋼筋用量。

1.7 混凝土強度等級和鋼筋強度等級

由規(guī)范中關(guān)于梁板的最小配筋率公式（1）：

可以得知：在最小配筋率大于0.2％的情況下,，采用的混凝土強度等級低,，可以降低梁板的最小配筋率，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計中在滿足規(guī)范要求的前提下,，所選擇的混凝土強度等級不宜過高,。同樣，從公式中也可以看出,，采用高強度的鋼筋,，不僅可以減小梁板等構(gòu)件的配筋量，同時也降低了梁板的最小配筋率,。

1.8  結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施

具有較高素質(zhì)的設(shè)計人員能夠通過概念設(shè)計合理地進行結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計, 綜合考慮設(shè)計中的有利因素, 在保證安全的情況下,，有效地減少鋼筋用量。如在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 有的設(shè)計人員任意加大梁端上部鋼筋, 認(rèn)為鋼筋加大,結(jié)構(gòu)越安全, 其實這樣增加鋼筋,反而起到了相反的作用,在地震作用下,梁鉸機制變成了柱鉸機制,容易造成樓層屈服, 柱子先破壞, 違背了“強柱弱梁”的設(shè)計原則,。

2   控制用鋼量的一些措施

2.1 優(yōu)化設(shè)計方案

采用什么結(jié)構(gòu)體系對于工程造價關(guān)系重大,，能做落地剪力墻的就不做框支轉(zhuǎn)換層，能使短肢剪力墻減少就盡量減少,。長墻肢有利于降低豎向構(gòu)件的配筋率以及減少暗柱數(shù)量,。長肢墻使得暗柱數(shù)量大為減少，其邊緣構(gòu)件縱向筋配筋率往往較低,。過多的剪力墻，會導(dǎo)致較大的地震作用,，增加結(jié)構(gòu)的配筋量,。同時，由于結(jié)構(gòu)自重較大,，增加了基礎(chǔ)工程的投資,。

2.2 采用新型樓蓋

樓蓋體系是建筑結(jié)構(gòu)的基本組成部分之一，其重量占整個房屋重量的25%左右,。降低樓蓋的質(zhì)量,，可大幅度減輕建筑總重量，從而減輕地震作用,；同時,，還可降低墻,、柱及基礎(chǔ)的造價。降低樓蓋體系自身高度,，不僅可減少層高,，節(jié)約建筑空間，還可降低圍護結(jié)構(gòu),、管線材料及施工機具的費用,。

目前，國內(nèi)外常見的鋼筋混凝土樓蓋體系有如下幾種：1）現(xiàn)澆梁板式樓蓋,；2）井字樓蓋,；3）無梁樓蓋；4）預(yù)應(yīng)力框架扁梁密肋樓蓋,；5）無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋,。鋼筋用量最少的是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無梁樓蓋、其次是預(yù)應(yīng)力框架扁梁密肋樓蓋,，鋼筋用量最多的是井字樓蓋和現(xiàn)澆梁板式樓蓋,。

2.3 采用Ⅲ級鋼筋

鋼筋目前常用有三種：HPB300、HRB335和HRB400,采用高強度HRB400 級鋼筋是一種趨勢,，大部分設(shè)計院已全面使用Ⅲ級鋼,。Ⅲ級鋼筋強度設(shè)計值是Ⅱ級鋼筋強度設(shè)計值的1.2倍，但是Ⅲ級鋼筋目前的市場價格比Ⅱ級鋼筋略高一點,，價格比約為1.05～1.10,。若用強度較高的Ⅲ級鋼筋代替強度低的Ⅱ級鋼筋用于建筑，則可節(jié)約鋼材約15 %,，這是降低用鋼量最直接的措施,。

2.4  構(gòu)件設(shè)計

對于構(gòu)件本身的設(shè)計，主要從梁,、板,、柱、墻這幾種構(gòu)件,，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)降低結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼筋量的一些方法,。

2.4.1 柱、墻

1)合理地確定墻柱截面：可以通過合理選擇混凝土強度等級從嚴(yán)控制柱子的軸壓比,，在滿足規(guī)范要求的前提下減小柱截面,。抗震墻如能合理地布置,，也可以減小墻截面,。2)盡量使梁對柱中布置,這樣可以減少柱子的偏心,也就減少了柱子的縱筋量。3）降低剪力墻約束邊緣構(gòu)件的體積配箍率

采用C35混凝土,、HRB400鋼筋比采用C40混凝土,、HRB335鋼筋的配置方案降低鋼筋含量27%,，軸壓比可通過調(diào)整墻截面來解決。

2.4.2 梁

1)合理設(shè)計梁截面,。盡量避免梁寬≥350,否則箍筋按構(gòu)造須采用4肢箍,造成箍筋用量增加,。增加梁高可以降低梁面及梁底的配筋量, 但箍筋量也有所增加。2)梁的歸并系數(shù)要取小,否則歸并后雖然減少了結(jié)構(gòu)的工作量, 但梁配筋就會增加,。3)計算時考慮梁柱節(jié)點剛域作用,可以降低梁的配筋量,。4）關(guān)于貫通筋和正彎矩鋼筋，現(xiàn)在一般的做法,，如有一個7.2mⅹ7.2m柱網(wǎng)的框架梁,，350mmⅹ700mm，?10@100/200（4）,，上筋：6Φ25（貫通4根）,，下筋：6Φ25，對此配筋作如下分析：①上層貫通筋：按“高規(guī)”6.3.3第2條規(guī)定：“沿梁全長頂面和底面應(yīng)至少各配置兩根縱向配筋,，一,、二級抗震設(shè)計時，鋼筋直徑不應(yīng)小于14 mm,，且分別不應(yīng)小于梁兩端頂面和底面縱向配筋中較大截面面積的1/4,；三、四級抗震設(shè)計和非抗震設(shè)計時的鋼筋直徑不應(yīng)小于12mm”,。根據(jù)此梁配筋與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)比較：其一,，支座處的上筋或下筋均為6Φ25，其貫通筋為4Φ25,，已是規(guī)范要求值的267％倍,，浪費不少。其二,，支座與跨中鋼筋均配筋6Φ25,，不符合受力規(guī)律，一般靜載加地震作用,，支座M總是大于跨中M,。②下部配筋其一，在地震作用時,，一般下層鋼筋總是小于支座鋼筋，本設(shè)計梁下筋與上筋同量,，如果上筋配置無誤,，則下筋就多配了，否則支座處配筋欠缺,，不安全,。其二,，根據(jù)高規(guī)6.3.3第2條，梁端截面的底面和頂面縱向鋼筋配筋量的比值,，除按計算確定外,，一級不應(yīng)小于0.5，二,、三級不應(yīng)小于0.3,，本設(shè)計上下鋼筋一樣了，也不符合受力和構(gòu)造要求,。其三,，下部鋼筋不一定全部貫通支座，60～80年代時,，框架梁下筋要求至少1/3伸入支座,，其他可以彎起至上層作為上筋受力之用，在“89”規(guī)范以后,，改為“框架梁宜采用直鋼筋,，不宜采用彎起鋼筋”，但不小于1/3的下筋伸入支座,，傳統(tǒng)的經(jīng)驗和概念還是對的,，從彎矩包絡(luò)圖來講也是符合道理的，見圖2,。

圖2 彎矩包絡(luò)圖

在“平法”11G101-1第87頁中有明文規(guī)定和圖示：不伸入支座的鋼筋長度可定為l凈—0.2l凈,。伸入支座的鋼筋需要多少，第一,，要滿足不小于支座上筋的0.5倍或0.3倍,；第二，不小于下筋總配筋量的1/3,；第三,，按“高規(guī)”6.3.3第2條規(guī)定。關(guān)于底部鋼筋是否全部深入支座的探討：結(jié)構(gòu)設(shè)計是否應(yīng)更多地考慮荷載,、作用的不確定性,，如臺風(fēng)、地震作用及基礎(chǔ)的不均勻沉降等,，都有可能使梁底鋼筋在支座處受較大的拉力,。另外從結(jié)構(gòu)的整體性來講，梁柱鋼筋在節(jié)點處全部綁扎牢固,，符合框架結(jié)構(gòu)的剛節(jié)點的基本要求,，比梁柱鋼筋在節(jié)點處沒形成剛節(jié)點的情況，其受力性能更好,。故梁底鋼筋應(yīng)全部伸入支座,，并達(dá)到錨固要求,。5）關(guān)于配筋的誤差：在根據(jù)計算的內(nèi)力進行配筋時存有一種錯誤的觀念，即認(rèn)為鋼筋配的越多越好,，本來內(nèi)力計算時已經(jīng)引入了很多安全系數(shù),，（包括材料強度和各種荷載及采用的偏于安全的保守的計算圖式等），而在具體的選配鋼筋時,，人為的加大了配筋量,，一般增加的鋼筋達(dá)到計算值的10％，20％,，有的達(dá)50％,，甚至有的100％，這種做法是不合理的,，也是很危險的,，因為結(jié)構(gòu)一般都是多次超靜定的，在受力后,，由于混凝土構(gòu)件裂縫的產(chǎn)生,，各部分的剛度均在不時的進行變化和相互調(diào)整，即在進行塑性內(nèi)力重分布,，從而提高了整個結(jié)構(gòu)的承載力,、延性和安全度，如果配筋率過大,，也就是混凝土構(gòu)件截面受壓區(qū)高度相應(yīng)會很大,，隨著彎矩的增加，鋼筋還未達(dá)到屈服強度時,，受壓區(qū)的混凝土已經(jīng)達(dá)到極限應(yīng)變,，造成脆性的破壞，使整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力來不及充分的內(nèi)力重分布,，使整個結(jié)構(gòu)延性大大降低,，最終會很快地導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞，所以一定要嚴(yán)格控制鋼筋量的配置,。

2.4.3 板

1）雙向板或多跨連續(xù)雙向板的配筋布置,，板下層鋼筋可按下圖配筋，可省鋼筋25％左右,，配筋時可把板塊按受力方向各分三個條帶,，見圖3，中間l/2寬條帶范圍的配筋為計算值AS的100％,，其余兩側(cè)l/4條帶配筋為計算值的50％,。2）雙向板及多跨連續(xù)雙向板或單向連續(xù)板的內(nèi)力與配筋計算。目前多按彈性理論計算，而截面又是按極限狀態(tài)設(shè)計,，本身自相矛盾，按此方法設(shè)計的各截面的配筋不能及時發(fā)揮作用,，耗鋼量大,。除對在使用階段不允許出現(xiàn)裂縫或?qū)α芽p開展有嚴(yán)格限制的結(jié)構(gòu)，如水池等,，一般板可按塑性內(nèi)力重分布的方法進行設(shè)計,，按此方法設(shè)計比按彈性理論設(shè)計，可節(jié)省鋼筋30％左右,。3）板下部鋼筋不一定全部伸入支座錨固,，可有一半在支座處截斷，如鋼筋長度可乘以0.9或0.8,，布筋時交錯布置即可,，其理由：a. 受力不需要可在受壓區(qū)截斷。b.可參閱“11G101-1”中第87頁所示,，圖中所示的為梁的下層筋部分可不伸入支座,，板也可以按此做法。

圖3 雙向板的板帶劃分

3 結(jié)論

本文從自然條件,、建筑物的建筑方案和結(jié)構(gòu)方案,、荷載取值、墻體材料,、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施,、鋼筋強度等級和混凝土強度等級等方面對結(jié)構(gòu)用鋼量的影響因素分別進行了闡述，并相應(yīng)地提出控制用鋼量的一些措施,。通過上述的分析,，在確保結(jié)構(gòu)方案盡可能合理的前提下，再對各結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行精細(xì)化設(shè)計,，結(jié)構(gòu)用鋼量可以控制在一個較為合理的范圍內(nèi),。

上文來自《PKPM新天地》