浅议混凝土结构含钢量的优化设计措施

上海市建工设计研究院有限公司 上海 200050

1 减少用钢量的基本方法

1.1 建模计算阶段

合理的结构布置、正确的荷载取值与适当的计算参数选择，是减少用钢量的前提。在建筑方案设计的阶段，结构设计人员就应及时参与，对于建筑形体及其构件布置规则性的要求，通过与相关专业的沟通，对建筑的平、立面布局以及承重构件的布置提出合理化建议，尽量避免或减少诸如凹凸不规则、楼板局部不连续、竖向不规则等造成用钢量大幅上升的先天性缺陷[1]。在结构建模的阶段，应严格按照建筑功能，确定各处恒、活荷载的取值，不应随意放大（亦不可在无明确依据支持的情况下擅自折减），在保证结构安全的前提下，忠实于实际工况选择正确的折减系数[2]。在结构模型调试的阶段，对周期折减系数、梁弯矩放大系数、梁刚度放大系数、地震信息的相关参数等予以适当选择、正确定义，可以合理控制结构刚度、避免因过度吸收地震力而造成的配筋增大。

对于高层结构，剪力墙的布置往往对工程造价有着较大的影响。应尽量保证剪力墙落地，避免框支[3]。均匀合理地布置墙体，使墙体钢筋计算结果尽可能地趋近构造配筋，是结构设计师们不断努力的方向。剪力墙的布置并不是越多越好，如果一味地提高结构的侧向刚度，反而会吸引更大的地震作用力，且增加不必要的造价。在建筑物平面的中心区域往往存在较多的竖向交通井，如楼梯间、电梯井、设备管道井等，由于其位于平面内部，此处布置的墙体对结构的整体刚度帮助并不大，故一般不宜在井道周围布置较多的剪力墙[4]。相较于内部的墙体，外围墙体对提高结构整体刚度的效果更好，尤其是山墙部位的墙体。均匀、分散地把较多的剪力墙布置在结构平面的外围，适当减少中间部位的剪力墙，可以更有效地发挥墙体的强度、提高结构抗扭性能，达到其利用率的最优化[5]。

剪力墙的分布钢筋大多是依构造要求配置，其数量难以进一步降低，应从边缘构件着手，减少其数量及配筋。如能尽可能多布置较为长肢的墙体，暗柱等边缘构件的数量及其纵向配筋率均可进一步降低。

1.2 施工图设计阶段

在施工图设计周期主要通过精细而合理的构造措施，来实现对用钢量的控制。其经济性可以较为直观地看到，并且容易进行量化的比较。在工程实践中，设计人员常使用如下一些构造措施（本文仅讨论±0.00 m以上结构部分，地下结构不在本文论述范围之内）。

（a）剪力墙构造配筋优化。墙体竖向分布筋与水平分布筋并不一定要采用相同的直径，满足构造要求及最小配筋率即可，《建筑抗震设计规范》（GB 5001—12010）（以下简称《抗规》）第6.4.4条规定：抗震墙竖向和横向分布钢筋的直径，均不宜大于墙厚的1/10且不应小于8 mm；竖向钢筋直径不宜小于10 mm。对于轴压比满足《抗规》第6.4.5条相关规定的墙体，设置构造边缘构件即可。边缘构件的设计亦建议采用多种规格的钢筋组合，例如：内墙非底部加强部位的400 mm×200 mm暗柱，抗震等级如为三级，按构造边缘构件可配置4Φ12 mm+2Φ10 mm的纵筋。

（b）框架梁配筋优化。《抗规》第6.3.4条规定：沿梁全长顶面、底面的配筋，一、二级不应少于2Φ14 mm，且分别不应少于梁顶面、底面两端纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级不应少于2Φ12 mm。笔者认为，规范并未硬性要求框架梁上部钢筋一律取支座的2 根角筋通长布置，亦无此必要。对于三、四级框架结构，当支座负筋直径较大时，可采取分离式配筋，以较小直径（2Φ12 mm或2Φ14 mm）的架立筋拉通，并连接支座角筋，可以有效地减少钢筋用量。另外，《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（以下简称《混规》）第9.2.13条规定：梁的腹板高度不小于450 mm时，在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋。每侧纵向构造钢筋的间距不宜大于200 mm，截面面积不应小于腹板截面面积的0.1%，但当梁宽较大时可适当放松。不少结构设计师在实践中普遍设置Φ12 mm@200 mm的腰筋，并按梁的总高计算需要的腰筋根数。而实际上，扣除楼板厚度之后，规范所要求的腹板高度是小于梁高的，对于宽度为200 mm的梁，设置Φ10@200 mm的腰筋亦能满足最小配筋面积的要求。

（c）楼板配筋优化。三级钢筋强度设计值为360 N/mm2，而一级、二级钢筋的强度设计值分别为270 N/mm2、300 N/mm2。选用三级钢筋可显著提高用钢量的节约率，因其强度分别为一级、二级钢筋的133.3%和120%，而价格仅仅约为前两者的105%[6]。

接下来，我们以实际工程为例，看看上述设计措施的应用可以对减少用钢量产生怎样的实际效果，并从经济性角度稍作探讨。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

图1 A工程标准层结构平面布置（优化前）

A工程位于上海市闵行区浦江镇某地块，为1 栋16 层保障性住宅。图1为该工程的标准层结构平面布置。建筑设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，建筑物为剪力墙结构，高度为44.80 m（不含屋顶机房层）。原施工图采用的构造原则为：框架梁上部钢筋取支座的2 根角筋通长布置，腰筋统一采用Φ12 mm，楼板最小配筋为Φ8 mm@200 mm，且双面双向拉通。

2.2 优化方案

我们修改原始计算模型，对剪力墙在平面布置上进行了如下调整：增加外围结构刚度，在山墙、平面凹角等部位增设剪力墙；适当减少内部区域的墙体分布；在与建筑专业达成一致的前提下，通过合理优化房间门、窗位置等方式，延长原有短肢剪力墙的墙肢长度，尽可能使其达到墙身厚度的8 倍以上；对于电梯井道周围过多的剪力墙进行合理减少，代之以连梁加填充墙的形式完成围护。调试模型，使周期、位移等各项控制指标均达到规范要求，生成新的配筋简图并依此完成施工图。图2为优化后的标准层结构平面布置。

图2 A工程标准层结构平面布置（优化后）

在构造措施方面，对施工图上的构造原则进行了如下优化（图3、图4）：暗柱如位于内墙非底部加强区，其截面尺寸为400 mm×200 mm的，原按6Φ12 mm配置的纵筋减小为4Φ12 mm+2Φ10 mm；当梁支座负筋≥Φ16 mm时，角筋不再通长布置，梁上部架立钢筋改用2Φ12 mm拉通；腰筋全部由Φ12 mm@200 mm改为Φ10 mm@200 mm，且严格按照腹板高度计算所需腰筋的根数；板面钢筋亦按最小配筋率改用分离式配筋，厚100 mm、110 mm、120 mm、130 mm、140 mm楼板分布筋为Φ6 mm @180 mm、Φ6 mm@170 mm、Φ6 mm @150 mm、Φ8 mm @200 mm、Φ8 mm@200 mm。

图3 部分暗柱配筋示例

2.3 用钢量分析

分别计算优化前、后的用钢量，结果见表1。

图4 部分框架梁配筋示例

表1 优化前、后的用钢量对比[8]

2.4 经济性分析

表1中的数据为该住宅楼某一标准层的含钢量计算结果。为确保相关数据具有可比性，计算中使用结构投影面积作为楼层面积。对比表1数据，不难看出：在采用了上述构造措施后，单方含钢量有了较为明显的下降，差值约为1.56 kg/m2。以某小区建筑面积150 000 m2、钢材市场价格5 000 元/t计算，合计可节省约116.85 万元的钢材成本。

另外，选择合适的钢筋连接方式同样能带来较好的经济性。对于分离式配筋的框架梁，工程实践中多采用直螺纹套筒连接、闪光对接焊等工艺来实现支座负筋与较小直径架立钢筋的连接。以每栋楼17 层、每层40 处框架梁计，亦可节省下近万元的工程费用。

3 结语

在深刻理解了规范条文的前提下，选择了合理的构造措施，采用了多种途径对结构进行优化，可以较为有效地减少结构的含钢量，提高结构的经济性、降低造价。