某剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、規(guī)劃設(shè)計(jì)254某剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)代勝勇（廣西中盛建筑設(shè)計(jì)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(xiàng)目投資方經(jīng)濟(jì)收益的決定因素之一，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在保證結(jié)構(gòu)安全并滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范構(gòu)造要求的前提下努力實(shí)現(xiàn)用鋼量的節(jié)省，本文通過(guò)對(duì)某剪力墻結(jié)構(gòu)住宅樓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討了鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法?！娟P(guān)鍵詞】剪力墻結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)布置；優(yōu)化設(shè)計(jì)；配筋構(gòu)造1引言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)蓬勃發(fā)展，成為支柱

2、性產(chǎn)業(yè)；同時(shí)，房產(chǎn)開(kāi)發(fā)商之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。在住宅項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)中，房屋的土建造價(jià)的高低，將直接影響房產(chǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。而房屋的單位面積用鋼量的大小是影響土建造價(jià)的決定性因素。現(xiàn)在內(nèi)行的投資方在簽署委托設(shè)計(jì)合同時(shí)往往會(huì)提出對(duì)含鋼量的限量條款。筆者認(rèn)為只要該限量合理科學(xué)，就不應(yīng)認(rèn)為是苛刻條件。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)安全、各項(xiàng)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(gè)合理水平，不僅是設(shè)計(jì)者的職責(zé)，也是衡量設(shè)計(jì)單位技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)

3、爭(zhēng)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(jiǎn)述此類(lèi)工程優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chē)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(jì)結(jié)構(gòu)布置（標(biāo)準(zhǔn)層）見(jiàn)“圖1”，建筑剖面見(jiàn)“圖2。圖1原設(shè)計(jì)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(chǎng)地內(nèi)下覆泥盆系上統(tǒng)融縣組

4、灰?guī)r。建筑的場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)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(jì)等級(jí)為乙級(jí)。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(zhǎng)10m，最后樁長(zhǎng)應(yīng)以貫入度控制，貫入度為3～5mm。優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的基礎(chǔ)形式與原設(shè)計(jì)

5、相同，根據(jù)上部荷載標(biāo)準(zhǔn)值確定樁數(shù)。布樁時(shí)盡量使樁處于墻體下，這時(shí)承臺(tái)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(wú)法都設(shè)在墻體下，而使承臺(tái)受剪受沖切，為了滿(mǎn)足其受剪受沖切，設(shè)計(jì)中適當(dāng)加大承臺(tái)厚度，而不宜采用增加配筋來(lái)滿(mǎn)足其抗剪或抗沖切要求，以達(dá)到減小用鋼量的目的。此外，由承臺(tái)混凝土來(lái)滿(mǎn)足抗剪或抗沖切后，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（通常采用0.15%的配筋率）。4上部結(jié)構(gòu)優(yōu)

6、化設(shè)計(jì)建筑物抗震重要性為丙類(lèi)[1]?？拐鹪O(shè)防烈度為六度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別二類(lèi)；采用(短肢)剪力墻結(jié)構(gòu)(剪力墻全部落地)。框架梁抗震等級(jí)為四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)均為三級(jí)（滿(mǎn)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(zhǎng)度尺寸、長(zhǎng)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(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)度。本工程一層為架空停車(chē)及設(shè)備用房，墻肢較短時(shí)對(duì)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(mǎn)足，且嚴(yán)格控制短肢剪力墻軸壓比滿(mǎn)足規(guī)范要求的

8、前提下，適當(dāng)減小墻肢的長(zhǎng)度。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)布置圖（標(biāo)準(zhǔn)層）見(jiàn)圖3。采用SATWE程序計(jì)算的結(jié)果對(duì)比見(jiàn)“表Ⅰ”。圖3優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布置圖（標(biāo)準(zhǔn)層）計(jì)算表明，原設(shè)計(jì)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(dòng)為主的第一自振周期T1之比為1.2230.9，不滿(mǎn)足《高規(guī)》要求。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后TtT1=0.8973，滿(mǎn)足規(guī)范要求。說(shuō)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(jì)算結(jié)果對(duì)比計(jì)算項(xiàng)目原設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算重力荷載的計(jì)算是一切結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之基礎(chǔ)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，它的準(zhǔn)確計(jì)算，

10、關(guān)系到建筑物的實(shí)際安全度的準(zhǔn)確控制，也關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。尤忌在重力荷載計(jì)算開(kāi)始即層層放大，以致最后心中無(wú)萬(wàn)方數(shù)據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)255數(shù)，造成材料浪費(fèi)、用鋼量增加。本工程原設(shè)計(jì)荷載計(jì)算值偏大經(jīng)過(guò)以下優(yōu)化步驟減小荷載計(jì)算值使計(jì)算值與實(shí)際荷載值接近。4.2.1混凝土容重取值為24kNm3。對(duì)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(shí)際荷載。通常，在計(jì)算梁的自重時(shí)，要注意扣去梁板重疊部分的自重

11、但為了計(jì)算方便起見(jiàn)，板的均布荷載傳遞到梁上，是按梁格的中心線(xiàn)劃分傳遞的。PKPM系列軟件[3]導(dǎo)算荷載時(shí)也未考慮扣去重疊部分板重。計(jì)算表明，由于計(jì)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(jì)算墻的自重時(shí)，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(dòng)導(dǎo)算的梁自重2g比梁實(shí)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(jiàn)“表Ⅱ”。因?yàn)檐浖?dǎo)算板面荷載時(shí)梁板重疊部分的自重被重復(fù)計(jì)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(shí)，按照25kNm3輸入即可，不需加大。此時(shí)板的恒荷載應(yīng)計(jì)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(dòng)計(jì)算板自重”。即使如此，梁自重的線(xiàn)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(shí)際有所減?。s

13、減小6%），因剪力墻一般所占樓面面積比較小，同時(shí)考慮到梁的自重線(xiàn)荷載計(jì)算的增大，剪力墻抹灰的自重對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以忽略。表ⅡSATWE板荷載導(dǎo)算時(shí)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(jì)算填充墻的自重時(shí)，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(jì)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(jì)規(guī)范中對(duì)構(gòu)件的配筋構(gòu)造有明確具體的規(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。4.3.1剪力墻的配筋本工程經(jīng)過(guò)合理修改布置后，經(jīng)過(guò)整體計(jì)算的剪力墻配筋大都為構(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(qiáng)部位和非加強(qiáng)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(mǎn)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(qiáng)度等級(jí)不宜過(guò)高（本工程梁板混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25），二是采用高強(qiáng)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(zhǎng)筋的配置對(duì)用鋼量影響也較大?！陡咭?guī)》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(jí)抗震設(shè)計(jì)和非抗震設(shè)計(jì)時(shí)鋼筋直徑不

17、應(yīng)小于12mm”，本工程梁抗震等級(jí)為四級(jí)，無(wú)特殊要求時(shí)（如梁扭矩較大），梁上部通長(zhǎng)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(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（minρ≥0.1%），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。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(yǔ)從目前看，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中鋼筋和混凝土的用量比早期要多。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮如何合理的節(jié)約建材，不用過(guò)多擔(dān)心安全問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中沒(méi)有大的差錯(cuò)（如大量漏算荷載、大跨度的梁板截面過(guò)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(huì)發(fā)生問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中過(guò)于強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一性、簡(jiǎn)便性，或?qū)σ?guī)范理解不透，對(duì)構(gòu)件受力性能了解不夠，都是造成浪費(fèi)的原因。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

19、，絕不是用降低安全度來(lái)?yè)Q取經(jīng)濟(jì)效益，也不是因?yàn)樵O(shè)計(jì)保守而修改。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)不僅沒(méi)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(xiàn)[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500112001）.北京:中國(guó)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(guó)建筑工業(yè)出版社2002[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPMCAD工程部.SATWE用戶(hù)手冊(cè)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(guó)建筑工業(yè)出版社2002[5]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB500102002）.北京:中國(guó)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(jì).北京:中國(guó)鐵道出版社1999（上接第244頁(yè)）高，所以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的工作量很大。（2）在完成優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)程中易被忽視。廠(chǎng)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(mǎn)足施工現(xiàn)場(chǎng)的安裝要求。但是，因?yàn)楦鞣N

21、原因，目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠(chǎng)家設(shè)計(jì)能力還相對(duì)較低，就只能依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行簡(jiǎn)單的復(fù)制，屬于水平低，技術(shù)含量低的加工制造。但是國(guó)外廠(chǎng)家因技術(shù)、水平先進(jìn)，承擔(dān)了具有一定難度的技術(shù)制作，并能對(duì)一些特殊的設(shè)計(jì)進(jìn)行研發(fā)、加工、安裝，且能繪制出滿(mǎn)足優(yōu)化設(shè)計(jì)要求的圖紙。4.1.2外部協(xié)調(diào)：建筑的外形設(shè)計(jì)一般工期短、復(fù)雜、難度大，各種施工圖紙往往會(huì)有一些不完善的細(xì)節(jié)，像機(jī)電安裝專(zhuān)業(yè)，就存在著多個(gè)專(zhuān)業(yè)交叉施工的情況。裝飾優(yōu)化設(shè)計(jì)要與機(jī)電安裝專(zhuān)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(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)單位提出與之相配合的定位要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要依據(jù)包括主體設(shè)計(jì)單位提供的施工圖紙，以及在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)會(huì)議記錄等。作為工作人員，要積極參與各類(lèi)相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)會(huì)，在會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)就把遇到的問(wèn)題解決。而協(xié)調(diào)會(huì)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(jì)圖紙中反映出來(lái)，才能確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的出圖、確認(rèn)效率更高，用最短的時(shí)間完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。為保證設(shè)計(jì)創(chuàng)意與技術(shù)實(shí)施性，優(yōu)化設(shè)計(jì)將結(jié)合各專(zhuān)業(yè)

23、提出的合理化建議并借鑒各方工程經(jīng)驗(yàn)，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(shí)間里使圖紙盡量的完善并具有一定的操作性，對(duì)于施工技術(shù)工作人員來(lái)說(shuō)，就要有重點(diǎn)、有針對(duì)的對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)做好技術(shù)性的保障。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，盡量避免各專(zhuān)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(zhuān)業(yè)的末端定位、界面要求及形式等，保證各專(zhuān)業(yè)有整體性都融合在裝飾界面。5結(jié)語(yǔ)綜上所述，建筑外形在設(shè)計(jì)中可以利用的元素非常廣，作為設(shè)計(jì)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(shí)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也就是智慧的競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)水平越高，那么在優(yōu)化設(shè)計(jì)市場(chǎng)中所占的分額就會(huì)越大，獲得的效益也將更多，所以，我們應(yīng)該注重設(shè)計(jì)水平的高低。參考文獻(xiàn)：[1]潘公凱.中國(guó)美術(shù)學(xué)院.環(huán)境藝術(shù)設(shè)計(jì)[M].上海：上海書(shū)畫(huà)出版社，2003.[2]王受之.世界現(xiàn)代設(shè)計(jì)史[M].北京：中國(guó)青年出版社，2002.[3]張建濤劉韶軍.建筑設(shè)計(jì)與外部環(huán)境[M].天津:天津大學(xué)出版社.200