某剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1、規(guī)劃設(shè)計254某剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計代勝勇（廣西中盛建筑設(shè)計有限公司，廣西，541002）【摘要】鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的單位面積用鋼量是關(guān)系到建設(shè)項目投資方經(jīng)濟收益的決定因素之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)安全并滿足設(shè)計規(guī)范構(gòu)造要求的前提下努力實現(xiàn)用鋼量的節(jié)省，本文通過對某剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探討了鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法。【關(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)布置；優(yōu)化設(shè)計；配筋構(gòu)造1引言隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，房地產(chǎn)開發(fā)蓬勃發(fā)展，成為支柱

2、性產(chǎn)業(yè)；同時，房產(chǎn)開發(fā)商之間的競爭日趨激烈。在住宅項目的開發(fā)中，房屋的土建造價的高低，將直接影響房產(chǎn)開發(fā)項目的經(jīng)濟效益。而房屋的單位面積用鋼量的大小是影響土建造價的決定性因素?，F(xiàn)在內(nèi)行的投資方在簽署委托設(shè)計合同時往往會提出對含鋼量的限量條款。筆者認為只要該限量合理科學(xué)，就不應(yīng)認為是苛刻條件。結(jié)構(gòu)設(shè)計在保證結(jié)構(gòu)安全、各項配筋構(gòu)造符合現(xiàn)行規(guī)范要求的前提下，使單位面積用鋼量處于一個合理水平，不僅是設(shè)計者的職責(zé)，也是衡量設(shè)計單位技術(shù)水平和市場競

3、爭力高低的重要標(biāo)志。桂林地區(qū)設(shè)防烈度6度水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.04特征周期Tg=0.35s。本文以一棟14層高，采用剪力墻（短肢）結(jié)構(gòu)的住宅樓為例簡述此類工程優(yōu)化設(shè)計方法。2工程概況工程為一座14層住宅建筑，一層為架空停車及設(shè)備用房，上部為居住建筑，出屋面塔樓2層，其中3～13層為標(biāo)準(zhǔn)層。原設(shè)計結(jié)構(gòu)布置（標(biāo)準(zhǔn)層）見“圖1”，建筑剖面見“圖2。圖1原設(shè)計結(jié)構(gòu)布置圖（標(biāo)準(zhǔn)層）圖2剖面圖3地基與基礎(chǔ)擬建場地內(nèi)下覆泥盆系上統(tǒng)融縣組

4、灰?guī)r。建筑的場地類別為Ⅱ類，場地內(nèi)無液化土層。從本工程地質(zhì)資料分析，巖石層較淺，巖石層上面有硬塑紅粘土層和可塑紅粘土層及軟塑紅粘土層，上部土層不均勻。因此采用沉管灌注樁基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。樁徑D=500mm，樁尖支承在灰?guī)r上，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為600kN（灰?guī)r極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為7000Kpa灰?guī)r樁端承載力特征值fak=3500Kpa）。平均樁長10m，最后樁長應(yīng)以貫入度控制，貫入度為3～5mm。優(yōu)化設(shè)計采用的基礎(chǔ)形式與原設(shè)計

5、相同，根據(jù)上部荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定樁數(shù)。布樁時盡量使樁處于墻體下，這時承臺避免受剪甚至抗彎，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，布樁無法都設(shè)在墻體下，而使承臺受剪受沖切，為了滿足其受剪受沖切，設(shè)計中適當(dāng)加大承臺厚度，而不宜采用增加配筋來滿足其抗剪或抗沖切要求，以達到減小用鋼量的目的。此外，由承臺混凝土來滿足抗剪或抗沖切后，承臺的配筋就可采用低配筋率而不應(yīng)也沒必要提高配筋率（通常采用0.15%的配筋率）。4上部結(jié)構(gòu)優(yōu)

6、化設(shè)計建筑物抗震重要性為丙類[1]?？拐鹪O(shè)防烈度為六度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組；結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑抗震設(shè)防類別二類；采用(短肢)剪力墻結(jié)構(gòu)(剪力墻全部落地)?？蚣芰嚎拐鸬燃墳樗募墸袅拐鸬燃壘鶠槿墸M足《高規(guī)》[2]7.1.2條規(guī)定）。4.1結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化本工程影響用鋼量的宏觀因素已經(jīng)確定，如平面長度尺寸、長寬比、高寬比等；結(jié)構(gòu)的梁、板平面布置根據(jù)建筑的使用功能確定，梁板的布置僅局部修改，使傳力

7、更加明確合理。結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化主要在于剪力墻的布置優(yōu)化。本工程雖豎向體型規(guī)則，但平面形狀為不規(guī)則平面，基于概念設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用如下措施改善結(jié)構(gòu)性能：4.1.1取消部分樓、電梯間剪力墻以減小中部抗側(cè)力構(gòu)件的剛度，適當(dāng)加長角部及邊部剪力墻，改善結(jié)構(gòu)抗扭性能，且可限制差異位移。4.1.2減小中部部分墻肢長度。本工程一層為架空停車及設(shè)備用房，墻肢較短時對建筑功能的使用更加有利，在結(jié)構(gòu)總體性能要求得到滿足，且嚴(yán)格控制短肢剪力墻軸壓比滿足規(guī)范要求的

8、前提下，適當(dāng)減小墻肢的長度。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)布置圖（標(biāo)準(zhǔn)層）見圖3。采用SATWE程序計算的結(jié)果對比見“表Ⅰ”。圖3優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)布置圖（標(biāo)準(zhǔn)層）計算表明，原設(shè)計第一振型以扭轉(zhuǎn)為主，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比為1.2230.9，不滿足《高規(guī)》要求。經(jīng)過優(yōu)化后TtT1=0.8973，滿足規(guī)范要求。說明優(yōu)化后剪力墻布置較合理，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯減輕。表ⅠSATWE總剛分析法計算結(jié)果對比計算項目原設(shè)計優(yōu)化設(shè)計方向x

9、yxy振型數(shù)99總重力eG(kN)9521894804周期T(s)T1=1.3951Tt=1.7063T1=1.7577Tt=1.5771有效質(zhì)量系數(shù)(%)massG88.994.694.994.5最大層間位移角hδ12671126761277012194平均δδmax1.441.381.461.28短肢墻底部地震傾覆彎矩百分比（%）324531404.2荷載的計算重力荷載的計算是一切結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)之基礎(chǔ)，牽一發(fā)而動全身，它的準(zhǔn)確計算，

10、關(guān)系到建筑物的實際安全度的準(zhǔn)確控制，也關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟效益。尤忌在重力荷載計算開始即層層放大，以致最后心中無萬方數(shù)據(jù)規(guī)劃設(shè)計255數(shù)，造成材料浪費、用鋼量增加。本工程原設(shè)計荷載計算值偏大經(jīng)過以下優(yōu)化步驟減小荷載計算值使計算值與實際荷載值接近。4.2.1混凝土容重取值為24kNm3。對于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土容重的取值涉及到整棟建筑荷載的準(zhǔn)確性，其取值應(yīng)能較準(zhǔn)確的反映建筑的實際荷載。通常，在計算梁的自重時，要注意扣去梁板重疊部分的自重

11、但為了計算方便起見，板的均布荷載傳遞到梁上，是按梁格的中心線劃分傳遞的。PKPM系列軟件[3]導(dǎo)算荷載時也未考慮扣去重疊部分板重。計算表明，由于計算中未注意扣除梁板重疊部分的板重而引起的總重力荷載的增大的誤差通常有10%～20%左右；計算墻的自重時，同理要注意扣除墻板重復(fù)部分的板重，此重疊部分引起的總重力荷載的增大的誤差通常也有5%左右。以板厚為100mm為例，混凝土容重取25kNm3軟件自動導(dǎo)算的梁自重2g比梁實際自重（包括抹灰自重，

12、抹灰厚度按15mm容重17kNm3）1g增大，增大系數(shù)為β，見“表Ⅱ”。因為軟件導(dǎo)算板面荷載時梁板重疊部分的自重被重復(fù)計算，此部分荷載與梁上的抹灰（裝修）自重相抵消，且還有富裕，所以，在SATWE中輸入?yún)?shù)“混凝土容重”時，按照25kNm3輸入即可，不需加大。此時板的恒荷載應(yīng)計入鋼筋混凝土板自重、房間面層自重及抹灰重一起輸入，不要選“自動計算板自重”。即使如此，梁自重的線荷載還是偏大的，但剪力墻的自重因未考慮抹灰的影響比實際有所減小（約

13、減小6%），因剪力墻一般所占樓面面積比較小，同時考慮到梁的自重線荷載計算的增大，剪力墻抹灰的自重對結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。表ⅡSATWE板荷載導(dǎo)算時梁自重增大系數(shù)β（%）梁截面(bh)200300200400200500200x6001g（kNm）1.161.712.262.812g（kNm）1.441.922.42.88β(%)24.312.36.22.4注：%100)(112?=gggβ4.2.2計算填充墻的自重時，注意扣除板（梁）高范

14、圍及洞口部分的墻體自重。4.2.3使用活荷裁的取值按《荷載規(guī)范》[4]采用。其計算要注意根據(jù)《荷載規(guī)范》折減。4.3配筋的優(yōu)化由于設(shè)計規(guī)范中對構(gòu)件的配筋構(gòu)造有明確具體的規(guī)定，故設(shè)計中通常都不應(yīng)違反，但在符合規(guī)范規(guī)定的前提下，仍有不少設(shè)計技巧能達到節(jié)省用鋼量的目的。4.3.1剪力墻的配筋本工程經(jīng)過合理修改布置后，經(jīng)過整體計算的剪力墻配筋大都為構(gòu)造配筋。這樣其節(jié)點區(qū)主筋、箍筋以及墻段的水平分布筋的配筋率都可按規(guī)范規(guī)定的最小配筋率配置。分別按

15、照《高規(guī)》規(guī)定的底部加強部位和非加強部位的要求配筋?？拐饓χ械膲Χ呜Q向分布筋通常都不是由內(nèi)力控制，其作用主要是固定水平分布筋，防止墻面出現(xiàn)水平收縮裂縫，故其間距通常取200mm，最小直徑8，僅需滿足最小配筋率，不必隨意提高其配筋量。4.3.2梁的配筋梁配筋大多由內(nèi)力控制，但仍有小部分由最小配筋（箍）率控制。要使梁的用鋼量不太高，一是混凝土強度等級不宜過高（本工程梁板混凝土強度等級均為C25），二是采用高強度鋼筋，前者不僅可降低最小配筋（

16、箍）率，更重要的是有利于作為受彎構(gòu)件的梁的抗裂性能。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僅在梁側(cè)配置加密箍筋已經(jīng)足夠不必另加附加吊筋。梁上部通長筋的配置對用鋼量影響也較大?！陡咭?guī)》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14mm，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14；三、四級抗震設(shè)計和非抗震設(shè)計時鋼筋直徑不

17、應(yīng)小于12mm”，本工程梁抗震等級為四級，無特殊要求時（如梁扭矩較大），梁上部通長筋取2φ12足夠，不必隨意加大或與支座配筋直徑相同。4.3.3板的配筋根據(jù)房間板塊的大小和使用功能的不同，現(xiàn)澆板的厚度取值主要為80～120mm，板面恒荷載也根據(jù)板厚不同而增減，不必統(tǒng)一。當(dāng)板面需要采用貫通面筋時，貫通筋的配筋通常不需也不宜超過規(guī)定的最小配筋率（minρ≥0.1%），支座不足夠時再配以短筋，這樣既符合規(guī)范規(guī)定又可節(jié)省用鋼量。本工程屋面按照《

18、高規(guī)》要求設(shè)置雙層雙向鋼筋，貫通面筋采用φ6@200，與支座面筋按照受力鋼筋要求連接。5結(jié)束語從目前看，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼筋和混凝土的用量比早期要多。結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)首先考慮如何合理的節(jié)約建材，不用過多擔(dān)心安全問題。在設(shè)計中沒有大的差錯（如大量漏算荷載、大跨度的梁板截面過小及不恰當(dāng)?shù)奶幚響姨魳?gòu)件等），現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的安全可靠度不會發(fā)生問題。在設(shè)計中過于強調(diào)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性、簡便性，或?qū)σ?guī)范理解不透，對構(gòu)件受力性能了解不夠，都是造成浪費的原因。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

19、，絕不是用降低安全度來換取經(jīng)濟效益，也不是因為原設(shè)計保守而修改。優(yōu)化后的設(shè)計不僅沒有降低結(jié)構(gòu)的可靠度，而由于結(jié)構(gòu)趨于合理，使之更加可靠。參考文獻[1]建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB500112001）.北京:中國建筑工業(yè)出版社2002[2]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ32002).北京:中國建筑工業(yè)出版社2002[3]中國建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.SATWE用戶手冊及技術(shù)條件，2005年4期[4]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009

20、2001）.北京:中國建筑工業(yè)出版社2002[5]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB500102002）.北京:中國建筑工業(yè)出版社2002[6]郁彥高層建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計.北京:中國鐵道出版社1999（上接第244頁）高，所以優(yōu)化設(shè)計的工作量很大。（2）在完成優(yōu)化設(shè)計圖紙后，就是加工訂貨階段。加工環(huán)節(jié)是裝飾工程中再次創(chuàng)作的重要手段，在優(yōu)化設(shè)計過程中易被忽視。廠家要積極配合完善二次優(yōu)化施工圖紙，依圖而制，使產(chǎn)品能滿足施工現(xiàn)場的安裝要求。但是，因為各種

21、原因，目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家設(shè)計能力還相對較低，就只能依據(jù)設(shè)計圖紙進行簡單的復(fù)制，屬于水平低，技術(shù)含量低的加工制造。但是國外廠家因技術(shù)、水平先進，承擔(dān)了具有一定難度的技術(shù)制作，并能對一些特殊的設(shè)計進行研發(fā)、加工、安裝，且能繪制出滿足優(yōu)化設(shè)計要求的圖紙。4.1.2外部協(xié)調(diào)：建筑的外形設(shè)計一般工期短、復(fù)雜、難度大，各種施工圖紙往往會有一些不完善的細節(jié)，像機電安裝專業(yè)，就存在著多個專業(yè)交叉施工的情況。裝飾優(yōu)化設(shè)計要與機電安裝專業(yè)相結(jié)合一起協(xié)調(diào)末端

22、定位、收口大樣及安裝方式等工作，并且也要和各專業(yè)設(shè)計單位提出與之相配合的定位要求。優(yōu)化設(shè)計的重要依據(jù)包括主體設(shè)計單位提供的施工圖紙，以及在優(yōu)化設(shè)計過程中的設(shè)計協(xié)調(diào)會議記錄等。作為工作人員，要積極參與各類相關(guān)專業(yè)設(shè)計的設(shè)計協(xié)調(diào)會，在會議現(xiàn)場就把遇到的問題解決。而協(xié)調(diào)會議的記錄應(yīng)該作為重要的出圖依據(jù)在之后的優(yōu)化設(shè)計圖紙中反映出來，才能確保優(yōu)化設(shè)計的出圖、確認效率更高，用最短的時間完成優(yōu)化設(shè)計。為保證設(shè)計創(chuàng)意與技術(shù)實施性，優(yōu)化設(shè)計將結(jié)合各專業(yè)

23、提出的合理化建議并借鑒各方工程經(jīng)驗，在材料、構(gòu)造、裝飾等方面完善。4.2技術(shù)支持要想在有限的時間里使圖紙盡量的完善并具有一定的操作性，對于施工技術(shù)工作人員來說，就要有重點、有針對的對優(yōu)化設(shè)計做好技術(shù)性的保障。在優(yōu)化設(shè)計中，盡量避免各專業(yè)的相互兼容，在保證技術(shù)要求的前提下，從裝飾效果出發(fā)，合理安排各專業(yè)的末端定位、界面要求及形式等，保證各專業(yè)有整體性都融合在裝飾界面。5結(jié)語綜上所述，建筑外形在設(shè)計中可以利用的元素非常廣，作為設(shè)計者要盡量處

24、理好各元素間的關(guān)系，這樣才能使我們的建筑更美觀，使城市更具魅力。同時，市場競爭也就是智慧的競爭，優(yōu)化設(shè)計水平越高，那么在優(yōu)化設(shè)計市場中所占的分額就會越大，獲得的效益也將更多，所以，我們應(yīng)該注重設(shè)計水平的高低。參考文獻：[1]潘公凱.中國美術(shù)學(xué)院.環(huán)境藝術(shù)設(shè)計[M].上海：上海書畫出版社，2003.[2]王受之.世界現(xiàn)代設(shè)計史[M].北京：中國青年出版社，2002.[3]張建濤劉韶軍.建筑設(shè)計與外部環(huán)境[M].天津:天津大學(xué)出版社.200