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《pkpm新天地》第119期
0 前言
近些年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的不斷變化，土地價(jià)格持續(xù)增長(zhǎng),土地成本相對(duì)增加,建設(shè)投資方及開(kāi)發(fā)企業(yè)為了獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益，加強(qiáng)了對(duì)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(jì)優(yōu)化等方面進(jìn)行建筑成本控制。設(shè)計(jì)階段是決定建設(shè)項(xiàng)目投資控制效果的關(guān)鍵階段,工程設(shè)計(jì)是影響和控制工程造價(jià)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(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，需要在保證結(jié)構(gòu)安全、各項(xiàng)配筋構(gòu)造符合設(shè)計(jì)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(jì)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(gè)建筑物用鋼量的多少，從大的方面來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，取決于結(jié)構(gòu)計(jì)算假定、荷載取值、墻體材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施、鋼筋強(qiáng)度等級(jí)、混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(chǎng)地條件等對(duì)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(duì)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(huì)引起鋼筋量的增加。建筑場(chǎng)地類別及地基承載力影響, 主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：不同的場(chǎng)地類別對(duì)地震作用的影響不同, 如Ⅲ類場(chǎng)地與Ⅱ類相比，場(chǎng)地對(duì)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(duì)增加；地基承載力較高時(shí),基礎(chǔ)所需底面積相對(duì)小,基礎(chǔ)混凝土及鋼筋用量會(huì)減少。建筑場(chǎng)地土質(zhì)差，淺層土承載力低，持力層埋深大時(shí)，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(jì)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(duì)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(duì)不規(guī)則結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用和內(nèi)力計(jì)算的調(diào)整，并對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施，這些都會(huì)引起結(jié)構(gòu)用鋼量的增加。
具體來(lái)說(shuō)：若平面較簡(jiǎn)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(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)趨于不合理,影響結(jié)構(gòu)的總含鋼量；若建筑物超長(zhǎng)，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(duì)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(duì)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和各結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)，有著足夠清楚地認(rèn)識(shí)。因?yàn)楦鹘Y(jié)構(gòu)體系有著不同的工作機(jī)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(jì)性也不盡相同。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用多種結(jié)構(gòu)方案，并通過(guò)綜合比較，給出最經(jīng)濟(jì)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(wú)梁樓蓋，大柱網(wǎng)大開(kāi)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(jiàn)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(jì)算時(shí)，荷載取值要符合規(guī)范及實(shí)際情況,不能隨意加大,因?yàn)楹奢d取值的加大會(huì)使結(jié)構(gòu)的用鋼量增加。荷載取值的加大，使得整個(gè)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(gè)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(duì)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(jì)時(shí)，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(jì)能夠減小截面及配筋。
1.6 結(jié)構(gòu)計(jì)算假定
計(jì)算機(jī)軟件分析時(shí), 所選計(jì)算模型和計(jì)算假定要與實(shí)際相吻合, 并應(yīng)用多方案進(jìn)行優(yōu)化。尤其是一些參數(shù)選擇對(duì)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(shí)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(qiáng)了安全儲(chǔ)備,同時(shí)也增加了鋼筋用量。
1.7 混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)
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(qiáng)度等級(jí)低，可以降低梁板的最小配筋率，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在滿足規(guī)范要求的前提下，所選擇的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜過(guò)高。同樣，從公式中也可以看出，采用高強(qiáng)度的鋼筋，不僅可以減小梁板等構(gòu)件的配筋量，同時(shí)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(jì)人員能夠通過(guò)概念設(shè)計(jì)合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計(jì), 綜合考慮設(shè)計(jì)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(jì)中, 有的設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)制變成了柱鉸機(jī)制,容易造成樓層屈服, 柱子先破壞, 違背了“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。
2 控制用鋼量的一些措施
2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
采用什么結(jié)構(gòu)體系對(duì)于工程造價(jià)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)多的剪力墻，會(huì)導(dǎo)致較大的地震作用，增加結(jié)構(gòu)的配筋量。同時(shí)，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(gè)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(shí)，還可降低墻、柱及基礎(chǔ)的造價(jià)。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(hù)結(jié)構(gòu)、管線材料及施工機(jī)具的費(fèi)用。
目前，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)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(wú)梁樓蓋；4）預(yù)應(yīng)力框架扁梁密肋樓蓋；5）無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無(wú)梁樓蓋。鋼筋用量最少的是無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力無(wú)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(jí)鋼筋
鋼筋目前常用有三種：HPB300、HRB335和HRB400,采用高強(qiáng)度HRB400 級(jí)鋼筋是一種趨勢(shì)，大部分設(shè)計(jì)院已全面使用Ⅲ級(jí)鋼。Ⅲ級(jí)鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是Ⅱ級(jí)鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的1.2倍，但是Ⅲ級(jí)鋼筋目前的市場(chǎng)價(jià)格比Ⅱ級(jí)鋼筋略高一點(diǎn)，價(jià)格比約為1.05～1.10。若用強(qiáng)度較高的Ⅲ級(jí)鋼筋代替強(qiáng)度低的Ⅱ級(jí)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(jì)
對(duì)于構(gòu)件本身的設(shè)計(jì)，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(jì)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(guò)合理選擇混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(duì)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(guò)調(diào)整墻截面來(lái)解決。
2.4.2 梁
1)合理設(shè)計(jì)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(huì)增加。3)計(jì)算時(shí)考慮梁柱節(jié)點(diǎn)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(gè)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(duì)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(zhǎng)頂面和底面應(yīng)至少各配置兩根縱向配筋，一、二級(jí)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，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(jí)抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)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(fèi)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(shí)，一般下層鋼筋總是小于支座鋼筋，本設(shè)計(jì)梁下筋與上筋同量，如果上筋配置無(wú)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(jì)算確定外，一級(jí)不應(yīng)小于0.5，二、三級(jí)不應(yīng)小于0.3，本設(shè)計(jì)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(shí)，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(yàn)和概念還是對(duì)的，從彎矩包絡(luò)圖來(lái)講也是符合道理的，見(jiàn)圖2。
圖2 彎矩包絡(luò)圖
在“平法”11G101-1第87頁(yè)中有明文規(guī)定和圖示：不伸入支座的鋼筋長(zhǎng)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(jì)是否應(yīng)更多地考慮荷載、作用的不確定性，如臺(tái)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(lái)講，梁柱鋼筋在節(jié)點(diǎn)處全部綁扎牢固，符合框架結(jié)構(gòu)的剛節(jié)點(diǎn)的基本要求，比梁柱鋼筋在節(jié)點(diǎn)處沒(méi)形成剛節(jié)點(diǎn)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(jì)算的內(nèi)力進(jìn)行配筋時(shí)存有一種錯(cuò)誤的觀念，即認(rèn)為鋼筋配的越多越好，本來(lái)內(nèi)力計(jì)算時(shí)已經(jīng)引入了很多安全系數(shù)，（包括材料強(qiáng)度和各種荷載及采用的偏于安全的保守的計(jì)算圖式等），而在具體的選配鋼筋時(shí)，人為的加大了配筋量，一般增加的鋼筋達(dá)到計(jì)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(xiǎn)的，因?yàn)榻Y(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(shí)的進(jìn)行變化和相互調(diào)整，即在進(jìn)行塑性內(nèi)力重分布，從而提高了整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力、延性和安全度，如果配筋率過(guò)大，也就是混凝土構(gòu)件截面受壓區(qū)高度相應(yīng)會(huì)很大，隨著彎矩的增加，鋼筋還未達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，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(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力來(lái)不及充分的內(nèi)力重分布，使整個(gè)結(jié)構(gòu)延性大大降低，最終會(huì)很快地導(dǎo)致整個(gè)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(shí)可把板塊按受力方向各分三個(gè)條帶，見(jiàn)圖3，中間l/2寬條帶范圍的配筋為計(jì)算值AS的100％，其余兩側(cè)l/4條帶配筋為計(jì)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(jì)算。目前多按彈性理論計(jì)算，而截面又是按極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，本身自相矛盾，按此方法設(shè)計(jì)的各截面的配筋不能及時(shí)發(fā)揮作用，耗鋼量大。除對(duì)在使用階段不允許出現(xiàn)裂縫或?qū)α芽p開(kāi)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(jìn)行設(shè)計(jì)，按此方法設(shè)計(jì)比按彈性理論設(shè)計(jì)，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?cái)啵玟摻铋L(zhǎng)度可乘以0.9或0.8，布筋時(shí)交錯(cuò)布置即可，其理由：a. 受力不需要可在受壓區(qū)截?cái)唷?/span>b.可參閱“11G101-1”中第87頁(yè)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(qiáng)度等級(jí)和混凝土強(qiáng)度等級(jí)等方面對(duì)結(jié)構(gòu)用鋼量的影響因素分別進(jìn)行了闡述，并相應(yīng)地提出控制用鋼量的一些措施。通過(guò)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(duì)各結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)用鋼量可以控制在一個(gè)較為合理的范圍內(nèi)。
上文來(lái)自《PKPM新天地》
