浅谈高层钢筋混凝土抗震墙结构的限额设计.pdf

浅谈高层钢筋混凝土抗震墙结构的限额设计 李矿生。、雷晓义2 、樊增权3 、张耀1 、王鑫1 ( 1 、西部建筑执震勘察设计研究院，西安，7 1 0 0 5 4 ；2 ，陕西建工集团工程承包三部；3 、陕西三秦能源有限公司) 捅要： ， 自我国加入世贸组织以来，许多国际上的先进理念和管理方法被大量引进并采用，“工程总 承包( E P C 户就是国内建筑施工企业近几年开展较为广泛的项目之一 陕建集团总公司为建设部特一级施工总承包企业，与西安市某房产公司就西安市拆迁安置 小区项目签订了工程总承包( E P C ) 合同，作为总公司下属的甲级勘察设计企业一一西部建筑抗 震勘察设计研究院承担了该项目前期的勘察设计任务 经过近几个月的工作，该项目的勘察设计工作已进入黾声在工程总承包中，勘察设计是 其核心工作，而设计又是重中之重，其目的就是要在满足国家现行规范的基础上，合理使用材 料，i 态到控制工程造价的目标，而承担建筑物安全( 在八度区主要是指抗震方面) 的结构专业 更是在设计中起着主导作用，在符合概念设计、满足建筑使用功能、结构( 抗震) 安全等条件 的前提下，尽可能降低单位平方米的混凝土和钢筋用量，进而达到把工程总造价控制在合理范 围之内，对于设计师来讲是一项新的课题 关键词：工程总承包，钢筋混凝土抗震墙结构、钢筋含量、造价控制 1 、工程概况 本工程位于西安市著名的兴庆宫 公园南门西侧约3 0 0 米处，属于西安市 人民政府的拆迁安置项目。建筑抗震设防 烈度为8 度( 0 2 0 9 ) ，场地类别为类。 本工程由两幢相距约3 0 多米、通过一层 地下室相连的高层住宅组成，总平面示意 图见图一，两幢住宅均为3 2 层，建筑高 度分别为9 8 ：1 米和9 6 9 5 米，采用钢筋 混凝土抗震墙结构体系，连接两幢高层的 地下一层采用钢筋混凝土框架结构体系 ( 与高层住宅采用后浇带相连，南北两端 设钢筋混凝土挡墙) 。 住宅入U 图一总平面示意圈 由于本工程属拆迁安置项目，要求安置的总户数达6 3 0 户，因此给建筑方案的布置带来了 诸多不便，最终建筑师采用了“倒梯形”方案布置，一梯十户，自北向南逐步收进( 退台) ，使 2 8 1 所有住户均有房间保证每天有充足的阳光( 南向) ，并在各户的南向房间设置了角窗。为了合理 使用空间，增加使用功能，在地下一层设置了停车场和设备用房，并同时考虑六级人防；在东 面临街的二号高层住宅一、二层东侧，增加了部分商业用房，建筑地下一层总平面布置详见图 圈二地下一层总平面布置 2 8 2 结构及地基基础方案的确定 2 1 结构方案的确定 由于本工程高层住宅的建筑高度均不超过10 0 米，因此首选较为经济的钢筋混凝土抗震墙 结构体系( A 级高度) ，抗震墙的抗震等级为一级。为使住户获取充足的阳光，建筑设计大量采 用角窗，但从结构的合理性和经济角度讲，给抗震墙的布置带来了诸多不便，结构设计人员在 试算过程中，经过反复计算和对比，不断调整抗震墙的位置、厚度和长度，最终确定三号住宅 楼抗震墙的布置( 一层) 如图三示( 二号住宅楼抗震墙的布置与三号楼基本相同) 。 。 I ! 户i uN 一呻 ： 声一0 于曾 划尝字。 l | ； il 旦jj 1 n m 一 田三抗震墙平面布置 2 2 地基基础方案的确定 根据以往的工程设计经验并参考相关工程资料可知，在一般的建筑工程项目中，地基基础 约占项目结构总造价的2 0 一2 5 ，地质条件差的甚至占到3 0 左右，因此，地基基础方案的确 定对建设成本的控制影响很大。钢筋混凝土灌注桩在西安市的地基处理中经常被采用，由于西 安地区鲜见坚硬土层，因此，桩的承载力主要由桩侧摩阻力提供，而端承力占的比重非常小， 也就是我们通常所说的摩擦型桩。而同样浇注一个立方的混凝土，由6 0 0 桩径较中8 0 0 桩径的 侧面积( 有效摩擦面积) 约增加三分之一，因此，结构设计人员一般首选巾6 0 0 直径的桩型， 这样就可以消耗相同的混凝土用量来达到增加桩长( 即增加侧面积、侧摩阻力) 来提高单桩承 载力。静载结果显示，由6 0 0 的单桩承载力完全可以满足墙下布桩的要求，经过适当调整，除 2 8 3 核心区设置承台布置群桩外，其余抗震墙均采用墙下布桩，此方案使混凝土和钢筋用量大幅降 低，表一为桩承载力的勘察报告建议值、试桩设计值和工程桩实际设计值的比对结果。 亟盐险壁 蕉：匿l 凹2蕉堡! 田2皇蕉丞羹左簦堡韭盥L 勘察报告建议值 3 9 3O 7 2 8 0 0 试桩设计值 3 8 0 62 8 0 0 工墨壁墨盐堡 兰璺 旦：!三璺塑 一一 单西覆鬲弱蘅三再三磊_ 写鬲五磊蟊品翥甄嚣聂否趸夏石磊面祗了趸5 一O 。另外，连接两幢单以桩的混凝土用量看，实际工程桩较勘察报告建议值就降低了近 。另外，连馁伪懂 高层住宅的一层地下室部分采用天然地基、独立基础。三号楼的桩、基础布置见图四( 二号楼 与三号楼基本相同) 。 ， 肝萨锎而li 秆萨前e 嚣o 。1 C f 一到纠黼黼稍e 期一P 萄 Il |1 嗣 o o oo b 廿 = j _ L 三 n n 再鼋 垂 刍1出! = _ 一E 招 R | o o 萨 耍 司 。 。o= = j = o 一凸 mj j一扛 “ 到 1：ll i U T T 飞 确H 叫一 L 四l 。 H ? 1 L 必 且： U 山 ； o L 佩删1 匕 I l P 。s酒 o - 潮。- 毪酉 蕈 r l ，丑r 立= d高葡 ， 西 ，。牌越 l ! 编。蔼蕊篱譬 i 由 ； 脯洲喃E i | I oo 一蛐l 墨牲 萄雨 摧 i蓬 厂碲f C 一 湓 阳乙斟 【 一 m 过一一I i b0 曲了o 3 4 8 0 0 3 、结构设计和优化 圈四桩基础平面布置 3 1 计算软件的确定 本工程的计算选用了中国建筑科学研究院P K P M C h D 工程部编制的S A T l r E ( 高层建筑墙元空间 分析) 软件。S A T W E 采用空间杆单元模拟了梁、柱及支撑等杆件，用在壳元基础上凝聚而成的墙 元模拟抗震墙，其中墙元是专用于模拟多、高层结构中的抗震墙的。墙元不仅具有平面内刚度， 2 8 4 也具有平面外刚度，可以较好的模拟工程中抗震墙的真实受力状态，而且墙元的每个结点都具 有空间全部六个自由度，可以方便地与任意梁、柱单元连接，而无需任何附加约束。鉴于S A T W E 的上述特点，因此其计算精度可以大大提高，控制钢筋和混凝土的用量也就有了较为准确的 计算依据。 3 2 计算假定和计算结果分析 3 2 1 计算假定 本工程在结构计算时将西侧的三号高层住宅假设为l 号塔楼，东侧的二号住宅定为2 号塔 楼，根据“抗震规范”第6 1 1 4 条中嵌固部位的下、上层楼层侧向刚度比不宜小于2 的要求， 本工程的嵌固部位选择在地下室顶板处，假定结构为墙元模型( S A T w E ) 。 3 2 2 计算结果分析 根据建筑平面要求，经过反复计算和抗震墙位置调整，现将最终主要的计算结果分析汇总 如下( 由于两个塔楼的平面布置基本接近，本文仅给出了西侧三号高层住宅即1 号塔楼的计算 结果) ： a 剪重比控制 按照“抗震规范”第5 2 5 条的规定，楼层最小剪重比( 最小地震剪力系数) 应为3 2 ， 本工程计算结果显示，1 号塔楼( 三号住宅楼) 的最小剪重比，X 方向为3 3 ，Y 方向为3 3 8 ， 均满足规范要求。 b 地震位移和位移比控制 根据“抗震规范”第5 5 1 条的规定，钢筋混凝土抗震墙结构的弹性层间位移角限值应为 1 1 0 0 0 ，而按照“高层混凝土规程”第4 3 5 条的规定，在考虑偶然偏心影响的地震作用下， 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1 2 倍， 不应大于该楼层平均值的1 5 倍。本 工程最大层间位移角及考虑5 偶然偏 心时的位移比如表二示。计算结果显 示，在Y 方向( 南北方向) ，无论是 最大层间位移转角还是最大位移比均 满足要求，但在X 方向，两个指标均 略有突破，经核对具体位置，确认是 由于第二十四剪力墙厚度减小( 由2 5 0 襄= 方向 层间位移角I 位移比 X 向平动 Y 向平动 1 1 9 5 3I1 “ 1 113 3I1 17 减为2 0 0 ) 而出现的这种情况，经过调整，将二十四层至二十八层墙厚改为2 2 0 后，X 方向的两 项指标均可满足规范要求。 C 周期比控制 周期比侧重控制的是侧向刚度与 扭转刚度之间的一种相对关系，控制 周期比的目的是使抗侧力构件的平面 布置更有效、更合理，使结构不至于 囊三 方向第一周期( s e c ) 出现过大的扭转效应( 相对于水平侧移而言) 因此，在“高层混凝土规程”第4 3 5 条中除要 求控制最大位移比外，还要求控制结构扭转为主的第一自振周期T t 与平动为主的第一自振周期 T 1 之比，对于A 级高度的高层建筑不应大于0 j9 。表三为第一周期的计算结果。显然，计算结 果所给出的周期比满足规范要求。 d 超筋超限情况 计算结果显示，除极少部分连梁斜截面抗剪超限外，未出现其它超限、超筋情况，计算结 果基本正常，针对连梁斜截面抗剪不足的情况，在结构上采用了取最大配箍率、增加连梁两侧 2 8 5 墙体暗柱的配筋、降低连梁截面高度和设置双连梁等措施。 在满足以上主要计算指标的基础上，结构设计尽可能考虑满足规范安全度的最低要求，如 墙体为构造配筋时按最小配筋率配筋，在板的配筋方面，尽可能减少通长钢筋的用量等措施。 4 、其它专业设计与优化 除结构专业外，在建筑、给排水、暖通和电气专业的设计方面，也采取了各种各样的优化 设计措施以控制工程造价。建筑专业在设计中通过合理的平面布置以减少其它专业的管线长度， 减少过大空间，进而减少设备的数量和规格( 如功率等) ，水、暖、电专业通过较为精确的计算 控制用水量和水池容量、用暖量和锅炉吨位以及用电量，暖通专业尽可能采用单管系统以减少 管线长度。 5 、关于工程造价控制的一些体会 经过业主、总承包单位和勘察设计院三方的共同努力，本项工程在成本控制方面取得了一 定的成效，同时也积累了不少经验。在结构设计上，整个主体工程建筑面积的钢筋含量为 6 8 1 k g m 2 ；而正负零以上建筑面积的钢筋含量仅为6 0 4 7 k g m 2 ，混凝土厚度约为3 3 7 a m m 2 ；其 它专业的设计也基本遵循了在满足规范要求前提下尽可能降低成本的设计原则，按照签订设计 合同时陕西省公布的建筑材料市场信息价，土建安装造价大约为1 4 1 0 元m 2 ，基本达到了业主要 求的建设成本控制目标。 通过本项目工程总承包( E P C ) 前期勘察设计工作的顺利完成，笔者对工程总承包( E P C ) 有了一定的认识。首先，参与工程总承包的各方在具体工作中应加强相互之间的沟通和理解， 对于勘察设计院来讲，应在满足业主要求、建筑使用功能和规范标准的基础上，尽可能选择有 利于结构抵抗地震作用( 包括风荷载) 的建筑平面布局，设备用房的位置应考虑减少管线的布 设长度( 暖通专业还应尽可能选择单管系统) ，结构专业在满足规范( 主要是结构安全) 的前提 下，不要随意增加混凝土及钢筋用量，做到精打细算，减少材料的使用量，总承包单位在材料 采购过程中也应认真分析材料的价格变化，采用公开招标的方式选择质量合格、价格合理的材 料。同时，笔者在成本的控制方面也基本达成了共识，任何一项工程都应有一个比较合理的造 价，不能为了降低工程造价而影响建筑的使用功能，更不能影响结构的安全。 参考文献 1 】多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件( 墙元模型) S A T W E 用户手册及技术条件 中国建筑科学研究院P K P MC A D 工程 部2 0 0 6 年版 2 】设计规范要求在软件中的实现及设计参数的合理确定 李云贵2 0 0 6 年1 1 月 2 8 6