新区划图双参数调整对剪力墙结构土建成本的影响1

张 波 陈学良 杨晓宁 邱利军 李宗超

1）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2）河北建筑工程学院，土木工程学院，河北张家口 075000

3）中土大地国际建筑设计有限公司，石家庄 050000

引言

历次破坏性地震的相关统计分析论证了房屋及建筑物倒塌是造成人员伤亡的主要原因，因此，根据地震区划图对工程结构进行合理的抗震设防是必要的。2016 年实施的《中国地震动参数区划图》（GB 18306−2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2016）相对于2001 年版区划图（国家质量技术监督局，2004）变化很大，其以抗倒塌为编图的基本原则，采用双参数调整原则，提出“四级地震作用”，并取消不设防区，全国设防参数整体提高。抗震设防烈度、地震动峰值加速度、反应谱特征周期和反应谱平台值等地震动参数的改变均会影响工程结构的土建成本。

目前关于工程结构的抗震设防研究以设防烈度的影响居多。韩淼等（2009）和张海等（2016）分析比较了不同抗震设防烈度下6 层框架结构土建成本，发现提高抗震设防烈度会增加土建成本。韩淼等（2010b）和谈一评等（2010）均研究了10 层框架−剪力墙结构在不同抗震设防烈度下，土建造价的异同；韩淼等（2010a）和孟祥良等（2018）研究表明剪力墙结构随着抗震设防烈度的提高，其相应的土建成本会增加；袁丽等(2013，2014)分别研究了砖混结构和框架结构农居在不同抗震设防烈度下的工程造价，并分析了提高抗震设防烈度造成增加土建成本的原因。而场地类别改变对工程造价影响的研究较少。场地条件的改变不仅影响地震动加速度反应谱特征周期，也会影响地震动峰值加速度，进而影响反应谱平台值（李小军等，2001；吕悦军，2008；李小军，2013；刘晓东，2015），这必定对工程结构的土建成本产生影响。张海等（2016）对比分析了改变场地类别对框架结构土建成本的影响。目前，剪力墙结构因刚度大、抗震能力强，成为高层住宅小区常用的结构形式，这是本文研究新区划图双参数调整对剪力墙结构土建成本影响的出发点。本文选取典型的钢筋混凝土剪力墙结构，分别研究在抗震设防烈度和场地类别单一地震动参数改变时的土建成本改变量，从而为其在新一代区划图下的工程概预算提供借鉴，有助于《中国地震动参数区划图》（GB 18306−2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2016）的推广应用。

1 工程概况

某工程为地上12 层、地下1 层的钢筋混凝土剪力墙结构，位于唐山市乐亭县。工程实际抗震设防烈度为7 度；设计基本地震加速度为0.15g；设计地震分组为第三组；场地类别为Ⅱ类，非液化场地，场地特征周期Tg为0.45 s；基本风压为0.4 kN/m2；地面粗糙度为B 类；基本雪压为0.4 kN/m2；结构安全等级为二级；建筑抗震设防分类为丙类；结构环境类别：地下室和地上梁板墙柱外侧为二b 类，地上梁板墙柱内侧为一类，地下室梁板墙柱内侧为二a 类。建筑总高度33.6 m，其中地下室层高为3 m，标准层层高为2.8 m，13 层层高为2.2 m（机房层）。各种工况下的楼板厚度均相同，其中地下室顶板厚180 mm，标准层板厚100 、130 mm，12 层及机房层顶板厚120 mm。混凝土强度等级为C30，钢筋级别为HRB400。在分析抗震设防烈度和场地类别改变对土建成本的影响时，不包括地基基础的成本变化。

利用PKPM 软件进行结构设计计算，结构建模、荷载输入、内力计算、内力组合、截面设计及构造设计等均在规范（中华人民共和国住房和城乡建设部等, 2010，2011；中华人民共和国住房和城乡建设部，2011）允许范围内。在计算分析过程中，严格控制某些限制条件（如层间位移角、周期比、层刚度比、刚重比、剪重比、轴压比等），使其更接近规范限值要求。标准层平面布置如图1 所示。

图1 结构平面布置图Fig. 1 The plan layout of structure

2 不同抗震设防烈度下土建成本计算分析

工程结构造价主要包括土建、设备和装修成本。通常随着工程结构抗震设防烈度的提高，其所承受的水平地震作用相应地提高，进而导致土建成本增加，但对设备和装修成本的影响较小。因此，改变单一地震动参数时仅考虑土建成本的变化，此时土建成本的增加主要是钢筋和混凝土的材料使用成本。仅考虑不同抗震设防烈度下材料的使用量和使用成本，并比较提高一个设防烈度时土建成本的增加值以及增加比例。

不同抗震设防烈度下的剪力墙结构抗震等级及抗震构造措施抗震等级（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）如表1 所示。不同抗震设防烈度下的结构基本自振周期根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.17 条（中华人民共和国住房和城乡建设部，2011）的规定，并由SATWE 结果文件（WZQ.OUT）得到。绘制II 类场地时，不同抗震设防烈度下的多遇地震动地震影响系数曲线如图2 所示。

表1 剪力墙结构抗震等级及抗震构造措施的抗震等级(Ⅱ类)Table 1 Seismic grade of shear wall structure and seismic structural measures (site II)

在不同抗震设防烈度下对所建立的模型进行反复调试、计算和配筋。在规范允许范围内，各结构构件选取及截面尺寸的确定均按规范最小允许值确定，从而得到不同抗震设防烈度下的抗震墙墙厚，如表2所示。

表2 不同设防烈度下的抗震墙墙厚(Ⅱ类)Table 2 The thickness of shear walls with different design intensity(site II)

利用SATWE 模块分析计算剪力墙结构在抗震设防烈度分别为6 度（0.05g）、7 度（0.1g）、7 度（0.15g）、8 度（0.20g）和8 度（0.30g）时的钢筋和混凝土用量，按现时市场定额对材料成本进行分析。钢筋价格为5 400 元/t，C30 混凝土价格为580 元/m3，材料取废系数按1.3 取值。计算得到剪力墙结构单位土建成本增加值及增加比例，如表3 所示。

由表3 可知，抗震设防烈度由6 度（0.05g）提高至8 度（0.3g）时，剪力墙结构抗震等级提高，通过增加抗震墙厚度和增大配筋率可提高其抗震能力。整体上看，随着设防烈度的提高，剪力墙结构单位土建成本增大。当设防烈度为7 度（0.15g）以下，抗震设防烈度每提高1 度，单位土建成本增加值为50 元以下；当设防烈度由7 度（0.15g）提高至8 度（0.2g）、由8 度（0.2g）提高至8 度（0.3g）时，单位土建成本增加值已达80 元以上，增幅较大。在低烈度区，抗震设防烈度每提高1 度，单位土建成本增加比例较小，基本上在15%以内；但在高烈度区设防烈度由7 度（0.15g）提高至8 度（0.2g）和由8 度(0.2g)提高至8度（0.3g）时，单位土建成本增加比例已达19%以上，说明此时通过改变抗震墙厚度和增大配筋率提高结构抗震能力无法达到“最经济”。由图2 可知，随着抗震设防烈度的增大，剪力墙结构基本振型所对应的地震影响系数逐步增大，所受的地震作用增大，故抗震墙厚度增加，抗震承载力提高，土建成本增加。加大抗震墙厚度虽会导致结构的刚度增大，抗震能力提高，但会导致结构质量增加，进一步导致结构水平地震作用增大。

图2 不同抗震设防烈度的地震影响系数曲线(Ⅱ类)Fig. 2 Seismic influence coefficient curve with different design intensity (site II)

表3 不同设防烈度下主要建材用量和成本分析(Ⅱ类)Table 3 The construction cost and comparison of different design intensity(site Ⅱ)

3 不同场地类别下土建成本计算分析

考虑场地类别对土建成本的影响时，首先考虑场地类别对剪力墙结构抗震等级及抗震构造措施抗震等级的影响。本工程抗震设防分类为丙类，场地类别为Ⅱ类（中华人民共和国住房和城乡建设部，2008），根据《建筑抗震设计规范》第6.1.2 条（中华人民共和国住房和城乡建设部等，2010）查询Ⅱ类场地剪力墙结构抗震等级和抗震构造措施抗震等级，并根据第3.3.2 条和3.3.3 条进行调整，结果表4 所示。不同场地类别下结构基本自振周期依据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.17 条（中华人民共和国住房和城乡建设部，2011）的规定，并由SATWE 结果文件(WZQ.OUT)得到。绘制抗震设防烈度为7 度（0.15g）时,不同场地类别下多遇地震动地震影响系数曲线，如图3 所示。

表4 剪力墙结构抗震等级及抗震构造措施抗震等级（0.15 g 区）Table 4 Seismic grade of shear wall structure and seismic structural measures (zone 0.15 g)

在不同场地类别下对所建立的模型进行反复调试、计算和配筋。在规范允许范围内，抗震墙截面尺寸均按规范最小允许值确定，得到不同场地类别下抗震墙厚度，如表5 所示。

表5 不同场地类别下抗震墙墙厚(0.15 g 区)Table 5 The thickness of shear walls in different sites(zone 0.15 g)

场地条件对土建成本的影响还表现在其对地震动的影响，即场地类别影响地震动参数，进一步影响地震作用。场地类别的改变不仅影响地震动加速度反应谱特征周期，还影响反应谱平台值和地震动峰值加速度。新区划图考虑到这一点，给出了反应谱特征周期按场地类别的调整值，并指出非Ⅱ类场地的地震动峰值加速度和水平地震影响系数最大值应按照Ⅱ类场地予以修正，且给出调整系数。查阅《中国地震动参数区划图》（GB 18306−2015）（中华人民共和国质量监督检验检疫总局等，2016）和《中国地震动参数区划图》宣贯教材（高孟潭，2015）得到场地类别分别为Ⅰ0类、Ⅰ1类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类时，地震动加速度反应谱特征周期、基本和多遇地震动峰值加速度及水平地震影响系数最大值，如表6 所示。

利用PKPM 的SATWE 模块分析计算时，不同场地类别下地震动参数取值按表6 选取。分析计算时，通过调整水平地震影响系数最大值实现不同场地类别分区峰值加速度的调整。分别计算相同结构在不同场地类别下的主要建材用量，按现时市场定额对材料成本进行分析。钢筋价格为5 400 元/t，C30 混凝土价格为580 元/m3，且材料取废系数按1.3 取值。当场地类别等级提高时，土建成本增加值及增加比例计算结果如表7 所示。

表6 反应谱特征周期、地震动峰值加速度和水平地震影响系数最大值（0.15 g 区）Table 6 The characteristic cycle of response spectrum, ground motion peak acceleration and platform value of response spectrum (zone 0.15 g)

由表7 可知，场地类别改变对土建成本的影响不可忽视。场地类别由Ⅰ0类提高至Ⅳ类，剪力墙结构受地震作用影响增强，通过增大抗震墙截面尺寸和配筋率可提高其抗震能力。整体上看，随着场地类别的提高，对剪力墙结构抗震越来越不利，导致单位土建成本增大。由Ⅰ0类提高至Ⅰ1类、由Ⅲ类提高至Ⅳ类，单位土建成本增幅分别为1.2 元和1.1 元，增幅较小。结合图3 可知，原因在于Ⅰ类场地是较好的坚硬场地，且由Ⅰ0类提高至Ⅰ1类，结构基本振型所对应的水平地震影响系数变化不大；同理，Ⅲ类和Ⅳ类场地中结构的水平地震影响系数变化幅度较小，故土建成本变化不明显。而由Ⅰ1类提高到Ⅱ类和由Ⅱ类提高到Ⅲ类，单位土建成本增幅较大，增加比例达到27%以上。再结合图3，场地类别由Ⅰ1类提高到Ⅱ类和由Ⅱ类提高到Ⅲ类时，基本振型所对应的水平地震影响系数增幅较大，地震作用增幅较大，从而导致土建成本增加，以提高抗震承载力。总之，软弱场地对地震动有放大作用，且场地类别越高放大作用越明显，反应谱特征周期越大地震动低频长周期成分越明显，对高层建筑结构的影响越大。为避免共振效应或烈度异常区的出现，应对Ⅲ类或Ⅳ类场地上的结构自振周期加以控制。

表7 不同场地类别下主要建材用量和成本分析(0.15 g 区)Table 7 The construction cost and comparison of different sites (zone 0.15 g)

4 结论

基于《中国地震动参数区划图》（GB 18306−2015）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2016），本文对抗震设防烈度为7 度（0.15g）的剪力墙结构在不同场地类别下的地震动参数加以修正，并给出了不同场地类别下的地震影响系数曲线。选取某12 层剪力墙结构，利用PKPM 建模，采用单一控制变量法，对比分析了不同抗震设防烈度及不同场地类别下土建建材用量和单位土建成本增加值及增加比例，得出以下结论：（1）当工程结构抗震设防烈度提高时，在低烈度区，土建成本增加幅度较小，可在土建成本较小增加的前提下，使设防水准提高1 个等级；在高烈度区，土建成本增加幅度大，这说明在高烈度区采用改变构件截面尺寸和配筋率提高结构抗震能力无法达到“最经济”。（2）场地类别对土建成本的影响不容忽视，可直接影响反应谱特征周期和地震动峰值加速度，进而影响设计反应谱形状，影响地震影响系数，从而对地震作用产生影响。（3）对高层建筑结构进行设计时，应考虑结构自振周期与场地特征周期相协调，以避免共振效应或烈度异常区的出现。