结构设计对含钢量的影响及优化

结构设计对含钢量的影响及优化

The effect and optimization of structural design on steel content

刘秀伟 1，袁一鑫 2

1中机中联工程有限公司，重庆 400039

2重庆乐邦环保机电研究所有限公司，重庆 400039

【摘要】工程项目具有规模大，造价高的特点。其中，土建部分的造价占整个工程造价的绝大部分，而结构设计人员往往忽略了结构设计过程中所隐含的经济效益。本文以普通工业厂房和普通高层住宅两种较为常见的结构形式入手，分析结构平面布置及结构参数选取对含钢量的影响，并提出优化对策，供结构设计人员参考。

【Abstract】The engineering projects have the characteristics of large scale and high cost. The cost of civil engineering accounts for the most part of the total project cost. However, the structural engineers often ignore the economy benefits during the design. Using two common structural forms of the ordinary industrial workshops and high-rise residential as examples, this paper analyses the impact of structural parameters and structure layout on steel content. The optimizing strategy is proposed as the reference for the structural engineers.

【关键词】结构设计；含钢量；影响分析；优化对策

【Keywords】structural design; steel content; impact analysis; optimizing strategy

2. 引言

工程项目具有规模大，造价高的特点。其中，土建部分的造价占整个工程造价约70%~80%。而设计人员往往忽略了设计过程中所隐含的经济效益，不重视方案比选，造成大量的用钢浪费。本文以普通厂房中常见的框架结构以及普通高层住宅中常见的剪力墙结构形式为例，分析结构平面布置和结构设计参数的选取对含钢量的影响。

项目A为普通工业厂房，长约56米，宽约16米，框架结构，地下3层，无地下室，首层层高5.4m，其它层层高4.5m，地震设防裂度为6度，地震设计分组为第一组，框架抗震等级为四级，场地类别为Ⅱ类，平面较为规则，如图1所示。楼面荷载第二层为6kN/㎡，第三层为4 kN/㎡。

图1 项目A 结构平面布置图

项目B1为普通高层住宅，剪力墙结构，33层，标准层层高3m，地震设防裂度为6度，地震设计分组为第一组，剪力墙抗震等级为三级，场地类别为Ⅱ类，平面布置如图2、图3所示，其中项目B2为项目B1的户型优化。

图2 项目B1平面布置图 图3 项目B2平面布置图

3. 建筑方案的影响及优化

建筑方案对结构设计具有很大的影响，结构应在方案阶段介入并配合建筑优化平面布置。建筑的平面尺寸，柱网尺寸，层高，总高度等因素决定了结构形式，在很大程度上影响着结构造价。本文对项目A中的柱网尺寸进行对比分析，分别考虑在相同的荷载作用下不同的柱网尺寸对结构用钢量及混凝土用量的影响，如图4及图5所示，在相同的荷载作用下，8mx8m的柱网尺寸用钢量和混凝土用量最省。

图4 不同柱网尺寸用钢量对比分析

图5 不同柱网尺寸混凝土用量对比分析

高层住宅户型平面设计中，须综合考虑各房间的使用功能、采光通风及立面美观，引起建筑平面不太规则，导致结构平面布置也不太规则。若小户型较多，局部凸出、凹进比较明显，如项目B1户型，这就使得布置剪力墙时，为了凸出、凹进部位的结构受力合理，需在凸出、凹进部位增加墙肢，必然增多剪力墙布置数量，而剪力墙含钢量在整体含钢量指标中占比较大，同时由于平面不规则增大了结构的扭转效应，使得凸出、凹进部位的梁、墙计算钢筋面积增大，这就必然增加结构含钢量。经分析，由于建筑平面不太规则而引起的结构平面布置不太规则原因，造成项目B1高层部分钢筋比项目B2每平方米高约4.1kg。

建筑平面布置应尽量避免出现平面不规则，减少抗扭构件来降低用钢量。此外，由于建筑立面造型的要求，二次结构也在一定程度上也影响着用钢量，建筑立面应尽量减少通过钢筋来实现的立面线条。

4. 结构设计的影响及优化

对项目A中的框架结构，有如下几点优化建议：

1）尽量采用单向次梁，并形成连续梁；

2）次梁及与次梁平行的主梁宜采用550mm高，板厚取100mm及以上，可减少构造钢筋；

3）配筋率控制在0.8%~1.5%的经济配筋率；

4）模型参数的设置对计算结果有重要影响，根据《《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）5.2.4条，对现浇楼盖和装配式整体楼盖，宜考虑楼板作为翼缘对梁刚度和承载力的影响，项目A中模型点选砼矩形梁转T形（自动附加楼板翼缘），其梁单位面积含钢量为15.14kg/m²，如图6所示，若不选择此选项，则梁单位面积含钢量为16.08kg/m²，梁单位面积含钢量可节约6%。勾选此选项后，结构刚度有所增加，周期减小。

5）根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）5.2.2 4条，梁、柱等杆件间连接部分的刚度远大于杆件中间截面的刚度时，在计算模型中可作刚域处理。《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）5.3.4条 在结构整体计算中，宜考虑框架或壁式框架梁、柱节点区的刚域影响，梁端弯矩可取刚域端截面弯矩计算值。 项目A中，考虑梁端刚域，梁单位面积含钢量为15.14kg/m²，如图7所示，若不考虑梁端刚域，梁单位面积含钢量为16.23kg/m²，梁单位面积含钢量减少7.2%。故建议设计过程中，点选梁端简化为刚域，这是因为不考虑梁端刚域时梁端弯矩取柱中心位置值，考虑梁端刚域更符合结构实际受力状态。且框架梁端部楼板的负筋已经增大了其抗弯承载力，梁端部负弯矩不应该再取偏大的柱中心值，考虑梁端刚域能减小梁端弯矩及配筋，更有利于实现“强柱弱梁”。

图6 PKPM转T形梁的设置 图7 PKPM梁端刚域的设置

5. 结构施工图中含钢量的控制

1）项目A的板施工图中，基本板跨为2.6mx8m，为单向板，根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010，非受力方向分布钢筋配筋率取0.15% (100厚板配筋面积150mm²)，采用6@180（配筋面积157mm²），相比于采用8@200（配筋面积251mm²）的板钢筋，可节约近40%的钢筋。

2）梁施工图中，次梁不抗震，可不设通长筋，可采用用架立筋+通长筋的方式。根据梁下部实际受力，梁下部钢筋可不全部伸入支座，不伸入支座的梁下部钢筋在距离柱边0.1Ln处截断。

6. 结论及建议

项目A所在地区大多数框架项目含钢量（不包含基础）在35~45kg /㎡，本项目含钢量（不包含基础）为29kg /㎡。建筑方案在很大程度上直接影响着结构方案，在建筑方案的前期阶段，结构设计师应加强与建筑的配合，综合考虑安全、美观、经济等因素，在立面造型、平面布置、柱网尺寸等方面提出建议和要求，优化建筑方案。同时，结构工程师也应在结构方案阶段多下功夫，重视方案与初设阶段，对不同结构形式进行分析比较，控制平面长度尺寸、长宽比及竖向高宽比，选出最优方案。

影响含钢量的因素较多，荷载取值、结构布置、计算参数等都在一定程度上影响着含钢量。在计算机迅速发展的今天，结构工程师应增强结构概念，不应完全依赖软件分析结果，应提高自我判断能力，合理选择参数，做到心中有数，保证结构施工图的安全经济合理性。

【参考文献】

【1】GB 50010-2012 建筑结构荷载规范[S].

【2】GB 50010-2010 混凝土结构设计规范[S].

【3】JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

【4】SATWE 多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件用户手册[M],2010

【5】国家建筑标准设计图集 11G101-1