結構設計含鋼量問題綜述

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近年來，隨著房地產(chǎn)市場的競爭越來越激烈，如何控制成本，創(chuàng)造更大的利潤，成了各房地產(chǎn)商追求的目標。在一個房地產(chǎn)項目中，一般土建造價約占建筑總造價的70％，在土建造價中鋼筋混凝土用量占主要部分，而混凝土價格為幾百元／噸，鋼材的價格為幾千元／噸。所以控制建筑的含鋼量成了房地產(chǎn)商控制成本最有效的手段之一，有些房地產(chǎn)商甚至把建筑含鋼量要求寫入設計合同。建筑結構含鋼量指的是建筑總用鋼量除以總建筑面積得到的一個建筑經(jīng)濟指標，通常以kg／m表示。本文從結構設計角度，對影響建筑結構含鋼量的因素及控制措施進行一些探討。

1影響含鋼量的因素及控制措施

1．1建筑結構布置

影響結構含鋼量的因素首先是建筑物的體型，包括建筑物的開間、進深、層高，平面形狀的凹凸、豎向立面的縮進、懸挑等等。建筑布置的任何平面不規(guī)則或豎向不規(guī)則都將導致含鋼量的增加。有些結構工程師往往過于遷就建筑專業(yè)，不對某些無必要的不規(guī)則情況提出意見，造成結構平面或豎向嚴重不規(guī)則，將一個本來可以不超限的高層做成超限高層，大大增加了結構含鋼量，造成了浪費。這就要求結構工程師提前介入建筑方案的討論，使最終的建筑方案盡可能簡單、規(guī)則。在確定建筑物的體型后，就要進行結構選型和結構布置。我們主要根據(jù)建筑物的高度及建筑的空間使用功能確定結構形式。結構布置應均勻、對稱，力求剛心和質心重合，盡量避免出現(xiàn)GB50011-2010建筑抗震設計規(guī)范(以下簡稱《新抗規(guī)》)第3．4．3條及JGJ3-2002高層建筑混凝土結構技術規(guī)程(以下簡稱《高規(guī)》)第4．3．3條等相關不規(guī)則情況。這樣就給下階段設計工作中合理控制結構含鋼量打下良好的基礎。

1．2結構計算模型荷載取值

荷載取值的大小直接影響結構含鋼量是否合理，過小的荷載會導致結構的不安全，過大的荷載則造成浪費。設計工作中應盡量選用輕質墻體材料，根據(jù)建筑墻身做法詳細計算荷載，門窗荷載應折去。活載應根據(jù)具體建筑功能嚴格按GB50009-2001建筑結構荷載規(guī)范(2006版)(以下簡稱《荷載規(guī)范》)取值。非固定隔墻的荷載應折人樓面活載。對于《荷載規(guī)范》4．1．2條可以折減的項目，應予以折減。結構工程師應該對各種結構形式的單位面積質量有一定了解。

1．3結構計算參數(shù)的選擇

目前結構設計計算軟件有很多，每個計算軟件都有大量參數(shù)需要結構工程師設置，這些參數(shù)都會影響結構含鋼量，必須了解其意義及對計算結果的影響。

1)計算振型個數(shù)。該值若取值太小不能正確反映模型應當考慮的振型數(shù)量，使計算結果失真；取值太大，不僅浪費時間，還能使計算結果畸變。振型個數(shù)一般取振型參與質量達到總質量的90％所需的振型數(shù)即可。

2)結構基本周期。結構基本周期是計算風荷載的重要指標。該參數(shù)對于以風荷載起控制作用的高層建筑的含鋼量有一定的影響。設計人員可以先保留軟件的默認值，待計算后從周期計算結果中提取該值，填入“結構基本周期”選項中，再次計算得出各結果。3)中梁剛度放大系數(shù)。一般結構計算中，中梁剛度放大系數(shù)取1．5—2之間的某一數(shù)值，為的是考慮樓板對結構的剛度貢獻，此時計算出來的梁的內力和配筋都會有所提高。故該數(shù)值應該按實際情況取值，人為的增加剛度而引起含鋼量增加是不必要的。

1．4結構計算指標的控制

1)周期比。周期比是控制結構扭轉效應的重要指標。它的目的是使抗側力構件的平面布置更有效、更合理，使結構不致出現(xiàn)過大的扭轉。《高規(guī)》第4．3．5條：結構扭轉為主的第一自振周期與平動為主的第一自振周期之比，A級高度高層建筑不應大于0．9，B級高度高層建筑、混合結構高層建筑及復雜高層建筑不應大于0．85。設計軟件一般不直接給出結構的周期比，需要結構工程師根據(jù)計算書中的周期值自行判定第一扭轉和第一平動周期。當周期比不滿足《高規(guī)》第4．3．5條時，需進行結構布置調整，具體可以增加周邊結構構件的剛度，減小中間結構構件的剛度，以增加結構的整體抗扭剛度。

2)位移比。位移比是控制結構平面不規(guī)則性的重要指標。《高規(guī)》第4．3．5條給出了相應的規(guī)定。該值如果超過了1．2，說明結構豎向構件布置的不均勻，剛心和質心不重合，結構扭轉產(chǎn)生內力，導致豎向構件和框架梁的配筋都增大。此時，需調整豎向構件布置使其剛心和質心相重合，以減小結構平面的扭轉。此外，根據(jù)《新抗規(guī)》第3．4．1—3．4．3條及其條文說明的內容，位移比1．2～1．4時，為一般不規(guī)則情況；位移比大于1．4時，為特別不規(guī)則情況。位移比是判別該建筑是否為超限高層的重要指標，對含鋼量影響很大。

3)剛度比。剛度比是控制豎向不規(guī)則的重要指標，同時也是判別該建筑是否為超限高層的重要指標。結構工程師應根據(jù)實際情況，對上下層結構構件的剛度進行調整，以達到減少內力、控制含鋼量的目的。

4)層間受剪承載力之比。層間受剪承載力之比也是控制結構豎向不規(guī)則的重要指標。

5)配筋率。配筋率影響結構含鋼量的大小。結構計算結果不超筋，并不表示結構構件現(xiàn)有的截面合理，結構工程師應根據(jù)配筋率進行構件優(yōu)化設計。梁縱向受拉鋼筋的經(jīng)濟、合理的配筋率宜在0．6％～1．5％范圍內，若超過這一范圍，宜加大或減小梁截面。

1．5施工圖繪制

因為不同結構工程師的經(jīng)驗、習慣、對規(guī)范的理解和計算程序結果的理解程度不同，導致同樣的計算結果，最君繪制出來的施工圖的鋼筋含量差異很大。比如，每個設計人員在繪制梁圖中都會采取同類歸并，用較大的配筋構件去包絡較小的配筋同截面構件，但有時候因為受力不同，兩根跨度、截面相同的梁，配筋差異會很大，這時候歸并為同一種配筋就顯得很不經(jīng)濟了。再如，部分設計人員習慣將非框架梁的上部鋼筋設置為(1)22或(I)25的通長筋，這種做法對非框架梁和三級或四級框架梁來說沒有必要。按《新抗規(guī)》第6．3．4條，可以將梁的上部鋼筋在跨度中問1／3區(qū)段采用較小直徑鋼筋搭接，這種方法也可降低含鋼量。又如，設計人員在繪制施工圖中或多或少都會增大結構計算配筋的結果。有的設計人員加大梁上部支座鋼筋，認為鋼筋加大，結構就更安全。其實這樣增加鋼筋，反而起到了相反的作用，增加了梁端的剛度，而沒有增加柱端剛度，是結構在遭遇地震作用時，柱端先于梁端出現(xiàn)破壞，違背了“強柱弱梁”的設計原則。又如，關于框架柱、剪力墻邊緣構件的最小配箍率計算，規(guī)范沒有明確對于復合箍是否要扣除重疊部分的箍筋。一般設計人員就按最保守的考慮，即按扣除重疊部分箍筋計算配箍率，這樣箍筋用量就會增加，還會造成因箍筋太密而影響混凝土的施工質量。有經(jīng)驗的設計人員會適當考慮一些重疊部分的箍筋，這樣既節(jié)省了工程造價，又方便了施工。現(xiàn)在市場上鋼筋種類很多，選擇不同的鋼筋對含鋼量影響很大。新版GB50010—2010混凝土結構設計規(guī)范對鋼筋種類做出了較大調整，增加了HRB335，HRB500等高強度鋼筋，剔除了原HPB235鋼筋。總的來說是提高了鋼筋的強度等級，并提倡采用高強度鋼筋，以達到增加結構構件的安全儲備和節(jié)省資源的目的。比如HRB400級鋼筋強度設計值為HRB335級鋼筋的1．2倍，而市場價格HRB400級鋼筋是HRB335級鋼筋的1．05倍，采用HRB400級鋼筋比采用HRB335級鋼筋理論上可以節(jié)約造價的10％左右。采用高強度鋼筋，可以充分利用鋼筋的高強度，大大降低用鋼量，對鋼筋加工、綁扎、施工周期都有很大的益處。

2結語

在國家大力提倡建設節(jié)約型社會的今天，含鋼量已經(jīng)成為房地產(chǎn)商衡量一個設計院設計質量的重要指標之一，不少結構工程師也越來越重視含鋼量的控制。但含鋼量并不是越小越好，節(jié)省含鋼量也絕不能以犧牲工程質量為代價。結構工程師應在理解規(guī)范及條文的基礎上對設計工作不斷優(yōu)化，力爭作出安全、適用、經(jīng)濟的結構。