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浅议混凝土结构含钢量的优化设计措施 祝雷 上海市建工设计研究院有限公司 上海 2 0 0 0 5 0 摘要 ：控制 混凝 土结构 的含 钢量有多种途径 ，合理 的结构构造措施对于减 少含 钢量有着积极 的作用 ，但 不同的构造措 施又会带来施工工艺的差异，并直接影响工程造价。结合工程实例 ，分析该问题，并对以减少含钢量为目的的结构构 造优化措施进行一定的经济性比较，指出了其对控制工程造价的意义，可供相关工程借鉴。 关键词：混凝土结构 含钢量 优化设计 经济性 中圈分类号 ： T U 2 0 9 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 3 6 7 0 3 Br i e f Di s c u s s i o n o n Op t i ma l De s ig n Me a s u r e s f o r St e e l Co n t e n t o f Co n c r e t e S t r u c t u r e Zh u L ei S h a n gh a i Co n s t r u c t io n De s ign& Re s e a r c h I n s t it u t e Co L t d Sh a n gh a i 2 0 0 0 5 0 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 。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 。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 。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 QI_一 作者简介 ：祝雷 ( 1 9 81 一)，男，硕士，结构工程师。 通讯地址 ：上海市武夷路1 5 0 号 ( 2 0 0 0 5 0 )。 收稿日期 ：2 01 4 0 1 2 l 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 。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嘲 。 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 O 0 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 ( G B 5 0 0 1 m l 2 0 1 0) ( 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 门0 且不应小于 8 mm；竖向钢筋直径不宜小于1 O 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4 0 0 mm X 2 0 0 mm暗柱 ， 抗震等级如 为三 级 ，按 构造边缘构件可 配置4 1 2 mm- I- 2 1 0 mm的纵筋。 ( b) 框架梁 配筋优化。 抗规 第6 3 4 条规定 ：沿 2 01 4 4 Bui l d i n g c。 n s n I 3 6 7 梁全长顶面、底面的配筋 ，一、二级不应少于2 1 4 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2 1 2 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 ( 2 1 2 mm 或2 1 4 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 ( G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0) ( 以下简称 混规 ) 第9 2 1 3 条规定 ： 梁的腹板高度不小于4 5 0 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 2 0 0 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 1 2 mm2 0 0 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2 0 0 mm的梁 ，设置 1 0 2 0 0 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 3 6 0 N mm ，而一级 、 二级钢 筋 的强度 设计值 分别 为 2 7 0 N mm 、3 0 0 N mm 。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1 3 3 3 和 1 2 0 ，而价格仅仅约为前两者的1 0 5 。 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 l 耵 D I 1 厂 L l 【 ， 川 一 j 口 l - ， _。 - J l l f 。 一 一 4 i 卜r一 5 8 工 ： = | I 强= _ i ： 一 7 童 ! 睦 l 己 r 一 0一 I 1 1 I I 1 l 3 I I 图1 A T 程标准层结构平面布置 ( 优化 前 ) AT程位于上海市 闵行区浦江镇某地块 ，为1栋1 6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4 4 8 0 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 建筑施 工 第3 6 卷 第4 期 长布置，腰筋统一采用 1 2 mm，楼板最小配筋为 8 m m 2 0 0 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4 0 0 mm X 2 0 0 mm的，原按6 1 2 mm配置的纵筋 减小为4 1 2 mm+ 2 l 0 mm；当梁支座负筋 1 6 mm时， 角筋不再通长布置 ，梁上部架立钢筋改用2 1 2 mm拉通 腰筋全部 由 1 2 mm2 0 0 mm改为 1 0 mm2 0 0 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1 0 0 mm、1 1 O mm、1 2 0 mm、 1 3 0 mm、1 4 O mm楼板分布筋为口 6 mm1 8 0 mm、a 6 mm 1 7 0mm 、 mm 1 5 0mm 、 8m m 2 0 0mm、 8mm 2 0 0mm。 ( a ) 优化前 图3 部分暗柱配筋示例 【b 1 优化 后 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 部分框架粱配筋示例 表1 优化前、后的用钢对 比 标准层结构 单方含钢量 工况 构件类型 钢筋总重 t 面积， m k g I1 1 剪力墙 ( 含暗柱 ) 8 6 0 2 3 0 4 梁 4 0 3 1 0 8 O 优化前 3 7 3 板 3 6 8 9 8 8 小计 1 6 3 l 4 3 7 2 剪力墙 ( 含暗柱 ) 8 4 8 2 2 7 4 梁 3 8 1 1 0 2 l 优化后 3 7 3 板 3 4 4 9 2 1 小计 1 5 7 3 4 2 1 6 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 5 6 k g m 。以某小区建筑面积1 5 0 0 0 0 m 、钢材市场价格 5 0 0 0元 t 计算 ，合计可节省约1 1 6 8 5 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1 7 层、每层4 0 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。 O 0 0 0 1 谭泽先 建筑结构含钢量的研究 J 建筑科学， 2 0 0 7 ( 9 ) ： 4 4 - 4 7 2 何湘多层框架结构设计降低含钢量的一些措施叨 建筑技术， 2 0 0 7 ( 1 1 ) ： 8 6 3 - 8 6 5 3 谭泽先 钢筋混凝土结构含钢量的一般范围和合理控制方法 J _ 建筑结构。 2 0 0 7 ( 7 ) ： 1 7 1 9 4 任庆渡， 赵骞 建筑结构设计中含钢量的控制 C 】 土木建筑学术文库， 2 0 1 0 ( 1 4 ) ： 1 5 6 - 1 5 7 5 邓晟 高层住宅的合钢量控制 J 福建建筑， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ：4 0 - 4 2 6 吴世华 结构设计中的含钢量控制的一些方法叨理论研究， 2 0 1 0 ( 1 4 ) ：7 9 7 李胜军， 赵玲军破 建筑结构设计含钢量控制叨建 筑结构， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 4 3 45 8 郭剑飞， 庄程宇 张委峰 影响含钢量的若干因素分析及设计建议 J 建筑科学， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 5 3 5 6 ( 上接第3 6 6 页 ) 属和非金属夹杂物。这些缺陷都是应力集中源 ，它们 的存 在会诱使其他缺陷的产生和扩展。因此 ，只要发现这些缺 陷，都应及时修复。 焊缝尺寸主要检查焊缝有效尺寸、长度和位置是否符 合图纸要求 ，包括焊缝宽度、余高及是否整条焊缝连续填 充等 ，尺寸检查需要借助有不同功能的焊缝量规和仪器 ， 以控制焊缝尺寸精度避免过分超过或小于图纸要求。 完成外观检测后，目视检验还应根据规范和技术条件 要求，检验或见证焊后热处理 、无损检验等其他要求。 4 结语 焊接 目视检验 ，整个过程持续时间较长 ，涉及的检验 项 目多，很大一部分检验 内容要穿插进行 ，因此，在检验 之前编制检验计划 ，组织相关人员协调配合 ，并在实施阶 段严格执行，充分发挥焊接 目视检验技术在项 目施工过程 中的质量控制作用 ，在提高生产量和生产效率的同时 ，使 焊接技术及产品质量保持在理 想水平之上 ，将焊接产品质 量事故降至最低 ，保证产 品全部质量特性的考核指标满足 相应标准、规范、合 同或第三方的有关规定。毕竟预 防错 误 的成本通常比纠正错误的成本要少得多。只有强化焊接 质量管理 ，才能建造 出高质量的钢结构焊接工程 ，不仅可 以向用户提供满足使用要求的焊接产品，而且可以推动企 业的技术进步 ，进而使企业获得高的收益和 回报 ，不断提 升企业的竞争优势。 O 0 0 0 1 陈裕川 焊接结构制造工艺实用手册 I 北京： 机械工业 出版社， 2 0 1 2 ： 8 3 2 杜兵， 秦健， 费大奎 焊接热输入及其应用 J 焊接， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ：9 3 】李亚江， 刘强， 王娟焊接质量控制与检验 北京： 化学工业出版社， 2 0 1 0 4 陈耿明， 陈荣 大型屋盖钢结构焊接质量检验技术叨_中国科技信息， 2 0 0 5 ( 2 1 ) ： 1 2 3 ， 1 2 9 2 ol 44 B i l d i ng c伽 咖】 c t j 0 n I 3 6 9