頂級(jí)結(jié)構(gòu)高手的絕殺功力——含鋼量控制技巧

 

影響建筑物結(jié)構(gòu)用鋼量的宏觀因素

首先是建筑物的體型（平面長(zhǎng)度尺寸及長(zhǎng)寬比、豎向高寬比、立面形狀等），其次是柱網(wǎng)尺寸、層高以及主要抗側(cè)力構(gòu)件所在位置等。對(duì)于限額設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，建筑專業(yè)對(duì)這點(diǎn)應(yīng)該有清晰的認(rèn)識(shí)，在方案設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量避免這些不利因素。

 

1、平面長(zhǎng)度尺寸：即結(jié)構(gòu)單元是否超長(zhǎng)，當(dāng)建筑物較長(zhǎng)，而結(jié)構(gòu)又不設(shè)永久縫時(shí)就成為超長(zhǎng)建筑。超長(zhǎng)建筑由于必須考慮混凝土的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力，它相對(duì)于非超長(zhǎng)建筑主要對(duì)待的僅是荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，其單位面積用鋼量顯然要多些。

 

2、平面長(zhǎng)寬比：平面長(zhǎng)寬比較大的建筑物，不論其是否超長(zhǎng)，由于兩主軸方向的動(dòng)力特性（也即整體剛度）相差甚遠(yuǎn)，在水平力（風(fēng)力或地震）作用下，兩向構(gòu)件受力的不均勻性造成和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的增加使得構(gòu)件配筋量加大。

 

3、豎向高寬比：這主要針對(duì)高層建筑而言，高寬比大的建筑其結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性肯定不如高寬比小的建筑，為了保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定并控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，勢(shì)必要設(shè)置較剛強(qiáng)的抗側(cè)力構(gòu)件來提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，這類構(gòu)件的增多自然使得用鋼量增多勻，使得其單位面積用鋼量相對(duì)于平面長(zhǎng)寬比接近的建筑物要多。

 

4、立面形狀：這是指豎向體型的規(guī)則性和均勻性，即外挑或內(nèi)收程度以及豎向剛度有否突變等。如側(cè)向剛度從下到上逐漸均勻變化，則其用鋼量就較少，否則將增多，較典型的有豎向剛度突變的設(shè)轉(zhuǎn)換層的高層建筑。

 

5、平面形狀：若平面較規(guī)則、凹凸少則用鋼量就少，反之則較多，每層面積相同或相近而外墻長(zhǎng)度越大的建筑，其用鋼量也就越多，平面形狀是否規(guī)則不僅決定了用鋼量的多少，而且還可衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣，從這點(diǎn)上分析得知用鋼量節(jié)約的結(jié)構(gòu)其抗震性能未必就低。

 

6、柱網(wǎng)尺寸：包括柱網(wǎng)絕對(duì)尺寸及其疏密程度，它直接影響到樓蓋梁板的結(jié)構(gòu)布置。一般而言，柱網(wǎng)大的樓蓋用鋼量較多，反之雖則較少，但同時(shí)因柱數(shù)增多而使柱構(gòu)件用鋼量增加，其中柱端及梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)加密箍筋的增加量幾乎占全部增加量的50％。柱網(wǎng)尺寸較均勻一致不僅使結(jié)構(gòu)（包括柱和梁）受力合理，而且其用鋼量要比柱網(wǎng)疏密不一的要節(jié)省。

 

7、層高：對(duì)于高層建筑而言，層高與用鋼量之間很難確定某種關(guān)系，換言之不能肯定層高對(duì)用鋼量的影響究竟有多大。就柱的箍筋而言，總高度相同的建筑物，層高較小即層數(shù)較多，其配筋量反而較多，但按單位面積攤銷后其用鋼量可能反而更少。至于跨層柱，由于其受力的復(fù)雜性以及截面較大，用鋼量一般比正常層高的柱要多。

 

8、抗側(cè)力構(gòu)件位置：剛度中心與質(zhì)量中心相重合或靠近，或者抗側(cè)力構(gòu)件所在位置能產(chǎn)生較大的抗扭剛度，結(jié)構(gòu)的抗扭效應(yīng)小，因而結(jié)構(gòu)整體用鋼量就少，反之則多。

9、立面節(jié)點(diǎn)：過于復(fù)雜的立面節(jié)點(diǎn)，如立面線條等，過去都是用成品線條外掛，對(duì)于公共建筑也采用石材外掛，但對(duì)于住宅項(xiàng)目，由于其維護(hù)成本成本高，現(xiàn)基本都用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，必然增加單方鋼筋用量。

 

10、地下結(jié)構(gòu)：地下室層高過大，地下室外墻配筋必然增大，地下室底板也由于水壓力的增大導(dǎo)致混凝土和鋼筋用量增加；群體建筑的地下連通口以及地下溝槽，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的放坡，也會(huì)導(dǎo)致混凝土和鋼筋用量增加。

 

影響用鋼量的微觀因素：

影響建筑物結(jié)構(gòu)用鋼量的微觀因素主要體現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作上，首先是結(jié)構(gòu)布置，其次是結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)件的配筋構(gòu)造。

 

1、豎向構(gòu)件布置：有關(guān)柱網(wǎng)大小和疏密，基本上在建筑方案階段已經(jīng)確定，抗震墻的合理數(shù)量及合適位置一般也在結(jié)構(gòu)工種介入方案設(shè)計(jì)過程中得到確定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體操作就是合理地確定墻柱截面，墻柱一般是壓彎構(gòu)件，其配筋量在多數(shù)情況下至少是多數(shù)部位都采用構(gòu)造配筋，因此在其混凝土強(qiáng)度等級(jí)合理取值且滿足軸壓比要求的前提下，墻柱截面不宜過大，否則用鋼量將隨其截面增大而增加。住宅建筑的框架或框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，有時(shí)為了在室內(nèi)不露柱角而將柱外露，且為了立面的需要又使柱截面上下一致，這種設(shè)計(jì)方法對(duì)于小高層住宅是可以接受的，倘若層數(shù)再多些，則采用該法肯定會(huì)增加用鋼量。即使從結(jié)構(gòu)受力角度看，這種設(shè)計(jì)方法也是不宜提倡的，因樓層荷載在柱位處會(huì)產(chǎn)生較大偏心，尤其是角柱。柱截面種類不宜太多是設(shè)計(jì)中的一個(gè)原則，在柱網(wǎng)疏密不均的建筑中，某根柱或?yàn)閿?shù)不多的若干根柱由于軸力大而需較大截面，而建筑考慮便于裝修則希望柱截面相同，此時(shí)如將所有柱截面放大以求其統(tǒng)一，勢(shì)必增加用鋼量。合理經(jīng)濟(jì)的做法應(yīng)是對(duì)個(gè)別柱位的配筋采用加芯柱，加大配箍率甚至加大主筋配筋率或配以勁性鋼筋以提高其軸壓比，從而達(dá)到控制其截面尺寸的目的。這里運(yùn)用的是個(gè)別處理總比大面積增加用鋼量更科學(xué)經(jīng)濟(jì)的道理和做法。

 

2、利用豎向交通井道而形成的剪力墻筒體，其外圍墻體對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)最大，而內(nèi)部墻體則貢獻(xiàn)甚微。在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度的前提下，筒體內(nèi)部的剪力墻不宜過多過厚和過于零碎，否則會(huì)增加該部位墻體用鋼量且對(duì)結(jié)構(gòu)無大作用。從施工角度看，剪力墻形成的筒體越是完整劃一，施工就越方便。從受力角度看，筒體內(nèi)部隔墻若設(shè)梁支承于筒體外圍墻上，從而增大外圍墻的軸力避免受拉對(duì)其受力反而有利，尤其是內(nèi)筒的角部處。

 

3、如果是高層建筑，墻柱截面還有一個(gè)收級(jí)問題。從節(jié)省用鋼量的角度出發(fā)，墻柱截面應(yīng)盡量小，只要符合50mm模數(shù)，幾乎可以每層都收級(jí)，但從結(jié)構(gòu)整體特別是從施工角度考慮，一幢高層建筑的墻柱截面變化過于頻繁、截面種類過多卻不科學(xué)，這種只看局部不顧整體、因小失大的做法是不妥當(dāng)?shù)�。正因如此，一幢�?00米的高層建筑，其柱截面變化在正常情況下應(yīng)為3－4次即每5－8層變化一次，表面上雖然有悖于節(jié)省用鋼量的基本原則，但從混凝土結(jié)構(gòu)的施工效益來看，卻是必要和合理的。

 

4、水平構(gòu)件布置：通常指的是樓層梁板構(gòu)件，其布置原則首先是受力傳力合理，其次是使用效果（包括視覺效果）良好，最后才是用鋼量的節(jié)省，設(shè)計(jì)中不能本末倒置。對(duì)于公共建筑的樓層，如結(jié)構(gòu)單元兩向主軸尺寸相近，則以兩向井字次梁布置；如兩向主軸尺寸相差甚大，則區(qū)分主、次框架，以典型的交梁樓蓋布置，其中板跨控制在約3~4米左右，板厚取100~120mm,對(duì)于住宅建筑，在3－4.5米正常開間情況下，樓板厚度為100－120MM,應(yīng)盡量增大板跨，而沒必要也不應(yīng)凡遇隔墻就設(shè)梁。當(dāng)采用高強(qiáng)鋼筋時(shí)，應(yīng)使板的配筋由內(nèi)力控制而非按構(gòu)造配筋，否則將得不償失。當(dāng)板跨小、布梁多時(shí)肯定用鋼量會(huì)增多，而且可能使樓面荷載多次傳遞，造成受力不合理。

 

5、以樁為基礎(chǔ)的地下室底板，采用梁板結(jié)構(gòu)要比采用平板式結(jié)構(gòu)更可節(jié)省用鋼量，本文所指的“梁板結(jié)構(gòu)”僅指柱網(wǎng)為整間大板的結(jié)構(gòu)，如果柱網(wǎng)中添加了次梁，則不僅使施工更為復(fù)雜，而且還會(huì)增加用鋼量，這一點(diǎn)已在大量工程中得到驗(yàn)證。以豎向交通井道形成的筒體，采用樁基礎(chǔ)一般都形成多樁承臺(tái)。布樁時(shí)應(yīng)使樁處于墻體下，這時(shí)承臺(tái)避免受剪甚至能抗彎，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(tái)受剪受沖切，為了滿足其受剪受沖切，設(shè)計(jì)中應(yīng)從加大承臺(tái)厚度或提高承臺(tái)混凝土強(qiáng)度等級(jí)著手，而不宜采用增加配筋來滿足其抗剪或抗沖切要求，否則將使用鋼量大增。此外，由承臺(tái)混凝土來滿足抗剪抗沖切后，承臺(tái)的配筋就可采用低配筋率而不應(yīng)也沒必要提高配筋率。

 

6、鋼筋直徑的選用：盡量選用直徑較小的鋼筋，一方面在滿足計(jì)算結(jié)果的要求下超配的不多，另一方面其錨固長(zhǎng)度、搭接長(zhǎng)度也比大直徑的鋼筋要短；且受力均勻，能更好地保證與混凝土的共同作用。

 

7、大跨度梁板結(jié)構(gòu)可考慮采用特殊技術(shù)如現(xiàn)澆雙向空心樓板、加輕質(zhì)填充塊的雙向密肋樓板、預(yù)應(yīng)力梁板，混凝土桁架等都可降低用鋼量。

 

構(gòu)件的配筋構(gòu)造：

由于設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確具體的規(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。

1、柱：設(shè)計(jì)中應(yīng)通過混凝土強(qiáng)度等級(jí)的合理確定來控制其截面尺寸和軸壓比，使絕大部分柱段都是構(gòu)造配筋而非內(nèi)力控制配筋，此時(shí)柱主筋就可以按規(guī)定的最小配筋率或比其略高的配筋率選擇主筋規(guī)格；至于柱箍筋的體積配筋率，由公式可以看出，采用高強(qiáng)度鋼筋比低強(qiáng)度鋼筋更可節(jié)省用鋼量。

 

2、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。從梁主筋最小配筋率及梁箍筋配箍率公式中可以看出，要使梁的用鋼量不太高，一是混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜過高，二是采用高強(qiáng)度鋼筋，前者不僅可降低最小配筋（箍）率，更重要的是有利于作為受彎構(gòu)件的梁的抗裂性能。對(duì)截面寬度較小的梁，當(dāng)配筋量較大時(shí)往往需要放2—3排鋼筋，無疑將減小梁的有效高度，因此當(dāng)不影響使用或建筑空間觀感時(shí)，梁寬宜略為放大，盡量布置成單排主筋，尤其是梁截面高度不太大時(shí)，以達(dá)到節(jié)省鋼筋的目的。跨度較大的懸臂梁，不論其承受的是均布荷載還是梁端集中荷載，其彎矩內(nèi)力都是急劇下降的，因此當(dāng)面筋較多時(shí)，除角筋需伸至梁端外，其余尤其是2排鋼筋均可在跨中切斷，既節(jié)省鋼筋又方便施工，是一種確實(shí)可行的方法。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，在通常情況下，僅在梁側(cè)配置加密箍筋已經(jīng)足夠，若再加配吊筋則已能承受更大的集中荷載。但設(shè)計(jì)中盲目加大吊筋直徑，既沒必要又會(huì)造成鋼材的浪費(fèi)。

 

3、樓板：前面已提及現(xiàn)澆混凝土樓板的厚度通常在100以上，在此條件下宜將板跨增大，使其配筋為內(nèi)力控制而非構(gòu)造配筋，按此結(jié)果樓板配筋只有采用高強(qiáng)鋼筋才能達(dá)到節(jié)省用鋼量的目的。對(duì)于大跨度雙向板，由于板底不同位置的內(nèi)力存在差異，設(shè)計(jì)中不宜以最大內(nèi)力處的配筋貫通整跨和整寬。為了節(jié)省用鋼量，一般應(yīng)分板帶配筋，其次當(dāng)板底筋間距為100或150時(shí)，不需將每根鋼筋都伸入支座，其中約半數(shù)鋼筋可在支座前切斷。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規(guī)定的最小配筋率，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。

 

4、抗震墻：分為加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位兩類，前者必須按約束邊緣構(gòu)件配筋，后者則按構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋。不管是節(jié)點(diǎn)區(qū)還是其余墻段，前者的配筋量均遠(yuǎn)大于后者，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中嚴(yán)格區(qū)分抗震墻的加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位，對(duì)鋼筋用量而言是具有很大意義的，而隨意擴(kuò)大抗震墻的加強(qiáng)部位肯定會(huì)增加用鋼量。抗震墻如能合理地布置、截面合理取值，其配筋多半不是內(nèi)力控制配筋而是構(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。即使因建筑物的重要性等級(jí)較高而需要提高其配筋率，也應(yīng)控制在較小的幅度內(nèi)，否則將大幅增加用鋼量。需要指出的是，抗震墻約束邊緣構(gòu)件中的箍筋配筋量也與鋼筋的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，因此為使其配箍直徑不過大、箍筋肢距不過密，使其配箍量不太高，宜采用高強(qiáng)鋼筋�？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200,最小直徑8，僅需滿足最小配筋率，不必隨意提高其配筋量。

 

5、結(jié)構(gòu)計(jì)算：合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型對(duì)配筋量的影響應(yīng)引起重視，結(jié)構(gòu)豎向剛度過大，會(huì)導(dǎo)致地震力加大，必然致混凝土用量和鋼筋用量同時(shí)增加；一般結(jié)構(gòu)的前三個(gè)振型分布為平平扭，當(dāng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯或雖為平動(dòng)但扭轉(zhuǎn)因子過大，結(jié)構(gòu)梁柱配筋都會(huì)明顯加大；跨度較小的次梁應(yīng)允許梁端鉸接處理，否則結(jié)構(gòu)計(jì)算會(huì)由于協(xié)調(diào)工作給出不合理的配筋值增加用鋼量；樓板的塑性計(jì)算較彈性計(jì)算配筋量也有明顯的減少。

 

影響用鋼量的其它因素：

結(jié)構(gòu)用鋼量的多少還與建筑物抗震等級(jí)有關(guān)，相同的建筑物，設(shè)計(jì)8度抗震的肯定比7度抗震的用7度鋼量多，這是不言而喻的，因此比較用鋼量時(shí)應(yīng)在相等或相近的條件下進(jìn)行，否則將無法得出準(zhǔn)確答案。即使抗震烈度相同，相同類型的建筑物所處的場(chǎng)地情況和基礎(chǔ)型式不同，其用鋼量也有相當(dāng)大的差別。當(dāng)場(chǎng)地地質(zhì)條件較好時(shí)，其基礎(chǔ)用鋼量就很少，相反則較多，這“多”與“少”的差別有時(shí)為十幾或幾十個(gè)百分點(diǎn)，有時(shí)則可能是數(shù)倍。建筑物能采用天然地基基礎(chǔ)而不必采用樁基礎(chǔ)，從技術(shù)角度衡量是先進(jìn)的，但從材料耗用量特別是用鋼量方面，有時(shí)采用樁基礎(chǔ)反而更經(jīng)濟(jì)。因此，在比較建筑物單位面積用鋼量時(shí)，必須將地下結(jié)構(gòu)與地上結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，否則將得不出實(shí)質(zhì)性的結(jié)論。

 

在滿足建筑功能的前提下,適當(dāng)降低層高,會(huì)使工程造價(jià)降低。有資料表明：層高每下降10厘米,工程造價(jià)降低1%左右,墻體材料可節(jié)約10%左右。

 

規(guī)范規(guī)定的構(gòu)件最小配筋率與混凝土強(qiáng)度和鋼筋強(qiáng)度有關(guān)。對(duì)于構(gòu)造鋼筋而言，選用HRB400級(jí)鋼筋可大大降低最小配筋率，尤其在樓板配筋中體現(xiàn)的更加充分。對(duì)于剪力墻、柱、粱等構(gòu)件選用HRB400級(jí)鋼筋，可以充分利用其高強(qiáng)度，可以大大降低鋼筋耗鋼量，對(duì)鋼筋加工、綁扎、施工周期都有很大的益處。推廣使用HRB400級(jí)鋼筋并不是浪費(fèi)，而是充分利用鋼筋的高強(qiáng)度，降低鋼筋含量，節(jié)省成本的一種舉措�，F(xiàn)在甲方結(jié)合以往建筑經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)合同簽訂時(shí)，一般提出耗鋼量的限值要求，也是考慮建筑成本的經(jīng)濟(jì)性，建議各位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)多采用HRB400鋼筋，可大大降低結(jié)構(gòu)的含鋼量。

 

在設(shè)防烈度較高的地區(qū)，減震、隔震技術(shù)的應(yīng)用對(duì)用鋼量的節(jié)約有相當(dāng)明顯的效果。其主導(dǎo)思想是將建筑物的基礎(chǔ)與主體之間用一種特殊的橡膠墊即所謂的"隔震墊"隔開,使基礎(chǔ)和主體之間的剛性連接變成柔性連結(jié)�；蚣釉O(shè)阻力器，這樣一旦發(fā)生地震,可大大減輕地震力對(duì)上部主體結(jié)構(gòu)的影響。因此,整個(gè)結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的配筋及截面尺寸都可以減小,從而降低工程造價(jià)。