抗震区多层剪力墙结构与框架结构的经济性对比

2017-06-22刘扬锋

河南建材 2017年3期

关键词：筋率框架结构经济性

刘扬锋

厦门中福元建筑设计研究院（361900）

抗震区多层剪力墙结构与框架结构的经济性对比

刘扬锋

厦门中福元建筑设计研究院（361900）

这里对现行《建筑抗震设计规范》关于抗震区剪力墙结构与框架结构的基本构造配筋规定进行归纳对比，提出整楼设置构造边缘构件的多层剪力墙结构的经济性优于框架结构的观点，并以厦门市某学校多层学生宿舍楼为例，按剪力墙结构和框架结构两种结构体系进行分析比较，表明多层剪力墙结构确实比框架结构更为经济。

剪力墙；经济性；配筋率

0 引言

剪力墙结构因其能提供足够大的侧向刚度被广泛应用于高层建筑中。多层建筑则很少采用剪力墙结构而普遍采用框架结构。一方面因为剪力墙施工难度大，另一方面因为剪力墙结构不如框架结构经济。但在多层建筑中剪力墙结构的经济性相比框架结构究竟如何?以下从《建筑抗震设计规范》关于两者结构构件的构造配筋要求进行归纳对比来分析两者在经济性方面孰优孰劣。

首先对比竖向承重构件（剪力墙与框架柱）的纵筋。多层建筑底层竖向构件轴压力并不大，剪力墙采用较薄墙厚即能将轴压比控制在允许值设置构造边缘构件的轴压比限值以下，剪力墙边缘构件可均按构造边缘构件考虑。为便于比较，现作如下假设：对抗震区Ⅱ类场地的同一栋多层建筑，两种结构体系模型中竖向构件的截面面积相同。剪力墙厚取为200 mm，按满足一般剪力墙要求取各肢最小长度为1 700 mm,每肢单个边缘构件尺寸最大为200 mm×400 mm，这样构造边缘构件面积最大仅占墙总截面面积的1/2（在此按1/2计）。由《建筑抗震设计规范》的房屋抗震等级表可知，多层建筑剪力墙结构中剪力墙的抗震等级均比相同高度的框架结构的普通框架抗震等级低一级（仅6度区稍有差异）。剪力墙和框架柱都仅按规范最小构造配筋，钢筋采用HRB400钢材。将剪力墙纵筋（包括边缘构件纵筋和墙身竖向分布筋）换算成最低配筋率,并与框架柱纵向钢筋最小配筋率按对应的抗震等级列于表1。

由表1可以看出，设置构造边缘构件的剪力墙纵向钢筋构造最低配筋率比框架柱最小配筋率少0.3%以上，因此剪力墙的纵筋构造更节省。

接着对比两者的箍筋（剪力墙中含水平向钢筋）。框架柱箍筋的加密区域长度（含节点核心区长度）和非加密区长度近似为各占柱高的一半。剪力墙的水平分布钢筋构造需伸至墙端锚固，其面积配筋率等于其体积配筋率。将边缘构件箍筋及墙身水平筋最后近似换算为总体积配筋率再与框架柱箍筋体积配箍率进行比较，详见表2。

由表2可知，配筋率除剪力墙底部加强区比框架柱稍大外，其余均小于框架柱，所以剪力墙箍筋（含水平筋）最低构造总用量仍比框架柱少。

最后来定性比较框架梁（楼板、楼梯等构件在两种结构体系中造价基本一样，在此不多论述）。在剪力墙结构中框架梁抗震等级同剪力墙，从而其抗震构造亦比同高度框架结构中框架梁的抗震等级低一级。同时剪力墙的设置大幅减小了墙肢面内相交的框梁的跨度及梁上总荷载，使框梁的计算配筋大幅减小，这也是体现剪力墙更具有经济性的关键因素。

表1 剪力墙纵筋换算成最低配筋率与框架柱纵向钢筋最小配筋率对应的抗震等级

表2 配筋率与框架柱箍筋体积配箍率比较

综上所述，多层剪力墙结构完全可能比框架结构更为经济。实践证明，以厦门某学校学生宿舍楼为例，对同一单元分别采用剪力墙结构和框架结构进行设计对比来分析多层剪力墙结构的经济效果。

1 工程简介

该学校新建的两栋楼为小学生和中学生的宿舍楼。建筑总高度20.1 m，共6层，层高3.3 m，室内外高差0.3 m。建筑所在地50年一遇基本风压w0= 0.8 kN/m2；抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15 g，地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类。宿舍楼按其建筑高度在该地区不适用异形柱框架结构。若采用异形柱框架剪力墙结构，其框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为一级，仅构造用钢量就明显增加，显然不经济。如采用普通框架结构，凸出墙面的框架柱对宿舍床位的布置或卫生间的使用影响很大，而采用剪力墙结构则能很好解决以上问题。选取其中一个“L”形单元分别采用框架结构模型和剪力墙结构模型进行经济性对比。

2 分析对比

框架结构模型的平面布置如图1。其框架的抗震等级为二级，纵横两个方向框架基本拉通且跨度均匀，但“L”形建筑的两肢横向上存在多榀单跨框架，对抗震较为不利。

图1 框架结构模型平面布置

剪力墙结构模型的平面布置如图2。剪力墙的抗震等级为三级，剪力墙在平面上的布置基本上与框架结构模型中框架柱的柱位一致。两模型竖向构件混凝土强度等级均相同：1～3层为C35，3层以上为C30。梁、板混凝土强度等级均为C30。纵向受力钢筋、分布筋和箍筋均采用HRB400钢筋。

图2 剪力墙结构模型平面布置

经计算分析，两模型在水平地震作用下的位移角均刚好能满足规范要求。在其他控制指标也均满足规范要求的条件下，对两模型的主要结构构件的混凝土用量和钢材用量进行统计，将结果分别列于表3和表4。

表3 结构构件混凝土用量表（单位：m3）

表4 结构构件钢筋用量表（单位：kg/m2）

由表3、表4可知，墙肢按一般剪力墙考虑并将轴压比控制在0.3以内的剪力墙模型相比框架结构，虽然混凝土用量增加了58.4 m3，但其剪力墙用钢量仍比框架结构的框架柱用钢量少0.75 kg/m2，框梁用钢量也比与框架结构减少多达7.65 kg/m2，其钢筋总用量省34.19吨。混凝土价格约按350元/ m3，钢材价格约按2 500元/t计，则单从结构构件材料上看将节省(34.19×2 500-58.4×350)=65 035元。同时剪力墙比框架柱多出的混凝土造价，一部分可由因剪力墙替代而减少的砖隔墙、构造柱的造价相抵扣，其经济性的优势更加明显。由此可见，本工程上部结构采用剪力墙结构比框架结构更经济。