剪力墻結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

關(guān)鍵詞：剪力墻結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 墻體布置 限額設(shè)計(jì) 

　　1 前言 

　　鋼筋混凝土現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)以其抗震性能好、墻體布置靈活、開(kāi)間內(nèi)無(wú)梁等優(yōu)點(diǎn)，是多高層住宅最普遍采用的結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)過(guò)程中，對(duì)住宅需求量大，研究并推廣剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可節(jié)約大量建設(shè)成本。現(xiàn)在很多開(kāi)發(fā)商為了控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，盡量排除導(dǎo)致離散型的自然因素和建筑方案因素，對(duì)建筑分類采取限額設(shè)計(jì)的方式。如表1即為國(guó)內(nèi)某大型房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商對(duì)8度抗震設(shè)防區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)住宅鋼筋的限額設(shè)計(jì)指標(biāo)。通過(guò)順義新城0701-013地塊住宅項(xiàng)目在結(jié)構(gòu)方案確定及審圖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，結(jié)合多年學(xué)習(xí)、研究、積累，總結(jié)出幾點(diǎn)關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，供廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員參考。 

　　2 項(xiàng)目概況 

　　順義新城0701-013地塊住宅項(xiàng)目為三棟各自獨(dú)立的住宅樓1#、2#、3#樓，地下一層，地上分別為11層、10層、15層，層高均為2.8米�？拐鹪O(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.2g，設(shè)計(jì)基本地震分組第一組，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。建設(shè)方要求地上部分按鋼筋45kg/m2進(jìn)行限額設(shè)計(jì)。 

　　3 墻體布置的優(yōu)化 

　　住宅建筑方案拿到結(jié)構(gòu)工程師手中時(shí)，墻體未區(qū)分承重墻和填充墻，如何布置承重剪力墻是結(jié)構(gòu)工程師面臨的第一個(gè)課題。筆者通過(guò)大量工程設(shè)計(jì)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，一般多高層住宅剪力墻配筋絕大部分均由抗震構(gòu)造配筋控制。所以，使剪力墻的布置能規(guī)避規(guī)范的較大構(gòu)造配筋要求成為優(yōu)化的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)熟練掌握《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010》《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010》中關(guān)于剪力墻結(jié)構(gòu)的有關(guān)規(guī)定，我們找到那些使墻體構(gòu)造配筋增大的相關(guān)要求，然后再看看能不能找到路徑合理合規(guī)的避開(kāi)這些要求。 

　　3.1 盡量避免框支剪力墻 

　　《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010》第6.4.3條規(guī)定：“一、二、三級(jí)抗震墻的豎向和橫向分布鋼筋的最小配筋率均不應(yīng)小于0.25%”“部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)的落地抗震墻底部加強(qiáng)部位，豎向和橫向分布鋼筋配筋率均不應(yīng)小于0.3%”，對(duì)于200厚墻體來(lái)說(shuō)，若滿足0.25%的配筋率，豎向和橫向配筋φ8@200即可，若滿足0.30%的配筋率，需配置φ8@150或φ10@200，配筋量增大了33%或56%，另外，根據(jù)《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010》表6.1.2之規(guī)定，部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位抗震等級(jí)均普遍比未設(shè)框支的抗震墻結(jié)構(gòu)提高一級(jí)，框支抗震墻力的調(diào)整增加可能使計(jì)算配筋超過(guò)構(gòu)造配筋成為配筋控制因素。還有框支梁的配筋及板鋼筋等一系列構(gòu)造要求均會(huì)使結(jié)構(gòu)造價(jià)大量增加，在高設(shè)防烈度地區(qū)尤其如此。 

　　順義新城0701-013地塊住宅項(xiàng)目1#、2#、3#樓地下室分別為自行車庫(kù)、儲(chǔ)藏間、設(shè)備用房，與地上住宅房間分割肯定會(huì)有差異。剪力墻布置時(shí)與建筑、設(shè)備專業(yè)協(xié)調(diào)配合，使剪力墻體全部能落地，最終三棟樓均未出現(xiàn)梁托墻的框支結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)打下良好基礎(chǔ)。 

　　3.2 減少約束邊緣構(gòu)件數(shù)量 

　　住宅剪力墻墻體分布筋通常按構(gòu)造配置很小直徑（一般直徑不超過(guò)φ10）即可滿足要求，而剪力墻兩端的邊緣構(gòu)件的縱筋和箍筋按構(gòu)造或計(jì)算要求均需配置較大直徑或較密間距才能滿足要求，所以剪力墻邊緣構(gòu)件配筋量占比剪力墻所有鋼筋顯得很突出，如何能減小邊緣構(gòu)件的配筋量呢？ 

　　按規(guī)范規(guī)定，約束邊緣構(gòu)件的配筋范圍和配筋率要求都比構(gòu)造邊緣構(gòu)件高出不少，例如三級(jí)抗震等級(jí)時(shí)，約束邊緣構(gòu)件豎向配筋率1.0%，并不少于6φ14，構(gòu)造邊緣構(gòu)件底部加強(qiáng)部位豎向鋼筋最小量為0.6%，并不少于6φ12。構(gòu)造邊緣構(gòu)件配筋比約束邊緣構(gòu)件配筋減少40%以上�！陡邔咏ㄖ�混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010》第7.2.14條規(guī)定“一、二、三級(jí)剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比大于表7.2.14的規(guī)定值時(shí)，應(yīng)在底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件”。反之，如果剪力墻底層墻肢底截面的軸壓比小于表7.2.14的規(guī)定值，則在底部加強(qiáng)區(qū)的墻體可不設(shè)約束邊緣構(gòu)件，而代之以配筋更少的構(gòu)造邊緣構(gòu)件。 

　　如何使墻肢軸壓比小于表7.2.14的規(guī)定值的規(guī)定值呢？由軸壓比計(jì)算公式μN=N/fcA，可知三種減小軸壓比的方式：⑴計(jì)算采用荷載不要盲目加大；⑵剪力墻采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)可適當(dāng)加大；⑶增加墻體截面面積�；炷�土價(jià)格會(huì)隨其強(qiáng)度等級(jí)的增加而增加，但增加的幅度并不大，所以提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)，使墻體軸壓比降至規(guī)定范圍之內(nèi)，是降低墻體邊緣構(gòu)件配筋的重要手段。增加墻體截面面積主要是指增加墻體長(zhǎng)度。增加墻體厚度會(huì)占用有效使用面積，一般不采用。增加墻體長(zhǎng)度后，墻體增加的分布鋼筋與梁減少的鋼筋和減少的填充墻砌筑基本可以互抵，而約束邊緣構(gòu)件則可由構(gòu)造邊緣構(gòu)件取代，邊緣構(gòu)件縱筋也可由計(jì)算值控制降為構(gòu)造控制，此方式仍可產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 

　　1#、2#、3#樓底部加強(qiáng)區(qū)為首、二層，約束邊緣構(gòu)件按規(guī)范要求上下各沿一層。若不研究控制軸壓比，則地下室至三層需配置大量約束邊緣構(gòu)件，使本項(xiàng)目鋼筋量增加。針對(duì)此問(wèn)題采取以下措施：荷載按實(shí)際情況（項(xiàng)目之初根據(jù)實(shí)際情況制定荷載技術(shù)措施）取值，不得隨意增加；在底部加強(qiáng)部位混凝土強(qiáng)度等級(jí)加至C35；將軸壓比較大的剪力墻墻肢加長(zhǎng)，使軸壓比小于0.3。在結(jié)構(gòu)調(diào)模型計(jì)算過(guò)程中，隨時(shí)關(guān)注軸壓比變化，使之小于設(shè)約束邊緣構(gòu)件限值要求。最終本項(xiàng)目加強(qiáng)區(qū)除極個(gè)別窗間墻處需設(shè)約束邊緣構(gòu)件外，大部分墻肢僅設(shè)構(gòu)造邊緣構(gòu)件即可滿足要求。 

　　3.3減少邊緣構(gòu)件面積占比 

　　如前文所述，減少墻體邊緣構(gòu)件配筋是優(yōu)化墻體配筋的關(guān)鍵，除了上述使約束邊緣構(gòu)件變?yōu)闃?gòu)造邊緣構(gòu)件的方法，還可以從另一方面入手，即想辦法減少邊緣構(gòu)件的面積。 　　《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2010》圖6.4.5-1和圖6.4.5-2條分別給出約束邊緣構(gòu)件和構(gòu)造邊緣構(gòu)件的配筋范圍，各四種情況。但這四種情況乃最基本、應(yīng)用最多的四種情況，實(shí)際工程由于建筑方案的多樣性，特別是建筑立面的凹凸，邊緣構(gòu)件的形狀遠(yuǎn)非這四種最基本情況能涵蓋。如圖1所示墻體邊緣構(gòu)件在工程中就很常見(jiàn)。很明顯，這種墻體被邊緣構(gòu)件占去很大面積，而邊緣構(gòu)件又不得不按規(guī)范配置大量構(gòu)造鋼筋，實(shí)際按計(jì)算地震時(shí)又不需要那么多鋼筋。若想盡量避免這種情況，首先在建筑方案階段結(jié)構(gòu)工程師最好能介入提出優(yōu)化的意見(jiàn)，避免過(guò)多凹凸的立面造型及開(kāi)間交錯(cuò)復(fù)雜的平面設(shè)計(jì)。 

　　多、高層住宅通常均需設(shè)置電梯，由于安裝要求及為了減少電梯運(yùn)行噪音對(duì)住戶的影響，電梯井四周墻體均應(yīng)采用鋼筋混凝土剪力墻。但當(dāng)電梯井并排放置時(shí)，電梯井間的分隔墻兩側(cè)均無(wú)板，其承擔(dān)的荷載僅為自重，設(shè)置此墻對(duì)增加結(jié)構(gòu)安全性并無(wú)太大意義，而且因?yàn)閴χ�短，邊緣�?gòu)件占比較大，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)電梯井之間的分隔墻可不設(shè)置。兩電梯間可設(shè)置一定數(shù)量的后澆圈梁或型鋼滿足電梯導(dǎo)軌安裝需要。 

　　3.4 盡量避免短肢剪力墻 

　　《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010》第7.1.8條給出了短肢剪力墻的定義“短肢剪力墻是指截面厚度不大于300、各肢截面高度與厚度之比的最大值大于4但不大于8的剪力墻”�！陡邔咏ㄖ�混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ3-2010》第7.2.2條規(guī)定：“短肢剪力墻的全部豎向鋼筋的配筋率，底部加強(qiáng)部位一、二級(jí)不宜小于1.2%，三、四級(jí)不宜小于1.0%；其他部位一、二級(jí)不宜小于1.0%，三、四級(jí)不宜小于0.8%”，此配筋率遠(yuǎn)大于普通長(zhǎng)肢剪力墻分布筋0.25%（高規(guī)第7.2.17條）的規(guī)定，以上規(guī)定對(duì)比第7.2.15條、第7.2.16條對(duì)邊緣構(gòu)件縱筋規(guī)定可以發(fā)現(xiàn)，短肢剪力墻整個(gè)墻肢的縱筋配筋率甚至不小于普通墻肢對(duì)邊緣構(gòu)件縱筋配筋率的要求。綜合考慮墻肢全長(zhǎng)范圍內(nèi)的分布筋與邊緣構(gòu)件配筋總量，短肢剪力墻配筋率比普通剪力墻配筋率大40%以上。因此，在布置剪力墻時(shí)應(yīng)盡量避免形成短肢剪力墻，墻肢有條件加長(zhǎng)時(shí)應(yīng)至少加長(zhǎng)至多于短肢剪力墻50mm，沒(méi)有條件加長(zhǎng)時(shí)可以考慮不設(shè)此段墻肢，采用梁連接。 

　　4 混凝土強(qiáng)度等級(jí)的選擇 

　　為控制剪力墻軸壓比，高層建筑底部采用較高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，向上強(qiáng)度等級(jí)逐漸降低，頂部一般強(qiáng)度等級(jí)降至C30。剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)宜控制不超過(guò)C40，因?yàn)楦邚?qiáng)度混凝土不易養(yǎng)護(hù)。一般情況下，不要因?yàn)槲灰撇粔虿捎贸�過(guò)C40的墻體混凝土，更不要因?yàn)檫B梁不夠而采用超過(guò)C40的混凝土，C60混凝土的彈性模量只比C40提高10%左右，對(duì)減小整體位移的貢獻(xiàn)有限。 

　　樓板和梁采用同一強(qiáng)度等級(jí)混凝土，地下室梁板因耐久性要求應(yīng)采用C30混凝土，地上各層梁板采用C30或C25混凝土。住宅建筑一般板塊較小，樓板多為構(gòu)造配筋，采用更高強(qiáng)度等級(jí)混凝土不但容易開(kāi)裂，且會(huì)增加樓板的最小配筋率，造成浪費(fèi)。 

　　地下室外墻一般長(zhǎng)度較大且對(duì)混凝土強(qiáng)度的要求不高，一般采用C30混凝土即可，采用高等級(jí)混凝土因養(yǎng)護(hù)不到位更容易開(kāi)裂。 

　　5 墻厚、墻體鋼筋的優(yōu)化 

　　剪力墻結(jié)構(gòu)住宅因?yàn)楸旧斫Y(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，剛度一般均能滿足規(guī)范的要求，甚至通常在低烈度區(qū)，反應(yīng)整體剛度的樓層位移角可遠(yuǎn)小于規(guī)范限值要求。在這種情況下，墻體厚度不應(yīng)取太厚，一般滿足規(guī)范最小值要求即可，如在抗震設(shè)防烈度8度區(qū)，底部加強(qiáng)部位墻厚200mm，底部加強(qiáng)部位以上160mm，一般均可滿足要求。 

　　墻體厚度取的過(guò)厚不但浪費(fèi)了材料、占用了寶貴的有效使用面積，而且可能使建筑變得更不安全了。這是因?yàn)檫^(guò)厚的墻體導(dǎo)致建筑剛度變的更大、建筑自重變的更大，從而吸收更多的地震力影響結(jié)構(gòu)安全；另外，增加的自重也會(huì)提高基礎(chǔ)的造價(jià)，甚或使基礎(chǔ)方案由便宜的天然地基變成費(fèi)用更高的復(fù)合地基或樁基礎(chǔ)。 

　　剪力墻墻體鋼筋均應(yīng)采用強(qiáng)度等級(jí)HRB400及以上高強(qiáng)度鋼筋以降低用鋼量。從現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)在歷次震害中表現(xiàn)來(lái)看，并未見(jiàn)由墻體少筋而產(chǎn)生的破壞報(bào)告，墻體鋼筋均不需要增配來(lái)提高建筑的安全度，墻體暗柱鋼筋和分布鋼筋只要滿足計(jì)算及構(gòu)造最低要求即可。相反，墻體暗柱過(guò)多的配筋可能會(huì)給混凝土的澆筑帶來(lái)困難，影響澆筑質(zhì)量；梁鋼筋與大量暗柱鋼筋相互沖突，增加施工難度進(jìn)而影響施工質(zhì)量。 

　　在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)暗柱超筋現(xiàn)象，此時(shí)采用增加墻體豎向配筋率的方式可能會(huì)消除超筋。但墻體豎向分布筋離截面中和軸較近（相對(duì)邊緣構(gòu)件縱筋），對(duì)緩解墻體抗彎超筋效率較低，即增加了整面墻的豎向配筋率但效果有限，所以盡量采用調(diào)整墻體布置的方法而不是采用這種方法消除超筋。 

　　6 梁鋼筋的優(yōu)化 

　　本項(xiàng)目在審圖工程中發(fā)現(xiàn)了一些不優(yōu)化、不合理的梁配筋情況，如圖三所示情況為1#樓中梁配筋一典型案例。 

　　KL15為一兩跨梁，兩端支座為梁，中間支座為墻。兩端支座為鉸接，中間支座為剪力墻，但梁在剪力墻平面外，此梁應(yīng)判定為一連續(xù)的次梁，而非框架梁。次梁箍筋可采用直徑可采用更小的φ6，且無(wú)需配置加密區(qū)。次梁縱筋采用非抗震錨固長(zhǎng)度，上鐵錨固長(zhǎng)度0.35lab（直錨段）+15d，下鐵錨固長(zhǎng)度12d，兩端支座僅160mm寬，經(jīng)計(jì)算直徑超過(guò)φ12縱筋均不能滿足錨固長(zhǎng)度要求。遂上鐵鋼筋采用φ12架立筋，在中間支座處與支座負(fù)筋搭接，下鐵鋼筋采用3φ12。此梁經(jīng)修改后配筋如圖4所示，既滿足了支座錨固長(zhǎng)度等構(gòu)造要求，又節(jié)省了鋼筋。 

　　7 結(jié)語(yǔ) 

　　影響剪力墻結(jié)構(gòu)住宅經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的因素有很多，包括抗震設(shè)防烈度、當(dāng)?shù)仫L(fēng)壓、地質(zhì)情況等自然因素，建筑高度、高寬比、立面、平面布局、開(kāi)間大小、層高、面層厚度等建筑方案因素，還有就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)水平和責(zé)任心的因素。這些因素導(dǎo)致最終的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有一定的離散型。但結(jié)構(gòu)人員必須精心設(shè)計(jì)，盡可能達(dá)到現(xiàn)有條件下的最優(yōu)化。順義新城0701-013地塊住宅項(xiàng)目建設(shè)方根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，提出地上部分45kg/m2的限額設(shè)計(jì)指標(biāo)。項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中按本文設(shè)計(jì)思想貫徹執(zhí)行，設(shè)計(jì)完成后經(jīng)初步預(yù)算地上部分鋼筋量控制在42kg/m2，達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效果。 

　　參考文獻(xiàn) 

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　　[2]JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2010 

　　[3]全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施-結(jié)構(gòu)（混凝土結(jié)構(gòu)）.中國(guó)計(jì)劃出版社.2012