高层剪力墙住宅结构优化设计

(整期优先)网络出版时间:2022-07-28
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高层剪力墙住宅结构优化设计

王刚, 

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摘要本文从建筑结构概念设计入手,提出控制剪力墙面积占比、暗柱面积占比的控制成本的方法,为高层剪力墙结构用钢量的控制提出了新的思路。

关键词:剪力墙面积占比 暗柱面积占比 剪力墙结构  高层住宅  结构优化  经济指标

一、剪力墙结构中各结构单元用钢量占比

一般的剪力墙结构中,墙的用钢量所占比例在15%~20%左右,暗柱的用钢量所占比例在40%~50%左右,所以墙、暗柱是结构优化的重点,墙、暗柱配筋应在满足规范的要求下尽量取低值;梁的用钢量占8%~ 20%,所占比例不大,但其布置对板用钢量有较大影响;板的用钢量一般占15%-20%,对于住宅来说,板跨不超过5m时,尽量采用较大的板跨更经济点。

结构单元

混凝土墙

暗柱

连梁及梁

用钢量占比

约15~20%

约40%~50%

约8%~ 20%

约15%-20%

二、剪力墙结构优化的核心指标剪力墙面积占比、暗柱面积占比

剪力墙结构中墙、暗柱的用钢量接近结构的70%,所以说剪力墙结构的优化最为核心的就是对墙、暗柱的优化。墙体通常为最小配筋率控制,抗震等级一、二、三级的配筋率均为0.25%,边缘构件一般也为规范构造控制,综合配筋率一般为1.0%~1.5%。根据上述分析知道:墙体的面积决定墙体的配筋,暗柱的面积决定暗柱配筋,所以优化墙、暗柱的思路就是降低每平米建筑面积的墙、暗柱的面积。8度区,不超过100m的高层剪力墙结构,墙体的面积占建筑面积比宜控制在6%~8%,暗柱面积占建筑面积的比宜控制在2.5%~3%。为了尽量降低墙、暗柱面积占比,墙体布置应符合以下几点要求:

1、墙体宜长不宜短;墙体宜薄不宜厚:

2、墙体数量宜少不宜多:

减少墙体,可同时减少墙体和暗柱的配筋;墙体数量优化目标以结构位移接近规范1/1000为宜。

3、暗柱要简单不要复杂:

复杂的暗柱,除了增加结构的配筋,没有其他作用,应避免。

4、不宜采用短肢剪力墙:

短肢剪力墙,对结构的刚度贡献较小;但暗柱配筋却要提高较多,高烈度区、楼层较高的结构布置较多的短肢剪力墙,非常不经济。

5、暗柱的精细化设计:墙体及暗柱布置合理后,墙、暗柱的配筋已经完成了绝大部分的优化,但对暗柱配筋进行精细化设计,仍可优化10%~20%。一般通过软件生成的暗柱比规范的最小配筋率高10%~20%,此时通过调整钢筋根数及直径,使配筋接近规范的最小配筋率,最有效的方法是设置两种直径的纵筋进行优化。

6、墙体的精细化设计:构造配筋的墙体尽量按规范要求的最小配筋率进行配筋,比如墙厚180mm的一级抗震剪力墙,配筋8@220刚好满足最小配筋率0.25%的要求,8@220将比常见的配筋8@200节省用钢量10%。

三、连梁及梁的优化设计

1、连梁跨度一般较小,不需要连梁提供较大刚度时,梁高可取400。连梁下方采用连锁砌块时,门洞过梁跨度≤1.5m时,可按图集采用过梁块内设置310与砌体一起砌筑。

2、板跨在4.5米以时,应尽量少布置次梁,可将隔墙直接砌在板上。

3、为节省梁腰筋,梁的腹板高度可做小于450mm高。

4、框架梁的通长负筋配置,应避免采用粗大钢筋全梁贯通,而小直径的钢筋配置更节约。

5、连梁应采用精细化设计,绘图时每3~6层归并一次。

四、剪力墙结构优化设计案例

1、工程概况

某高层住宅项目位于河北省三河市燕郊经济技术开发区。整个工程由37高层住宅楼和部分商业及地下车库组成;其中一栋建筑高度99.8mm的剪力墙结构,地上34层、地下2层,基础埋深-8.50m,筏板基础抗震设防烈度8度,抗震等级一级,场地类别三类

2、采用的优化措施

  1. 控制墙厚:底部适当提高混凝土标号到C35,使加强区的墙厚200mm时就能满足轴压比设计,非加强区的墙厚取180mm。
  2. 多布置长墙,同时避免过短的墙肢。
  3. 墙体数量尽量减少:墙体数量优化目标以结构位移接近规范1/1000进行控制。最终位移控制在1/1000~1/1100。
  4. 去除不必要的墙肢,使暗柱尽量简单不复杂。
  5. 暗柱的精细化设计:逐一优化每个暗柱,使配筋接近规范的最小配筋率(计算控制的除外)。
  6. 优化完的结构布置图如下:

3、优化结果

墙体的面积占建筑面积比为7.3%,暗柱面积占建筑面积的比为2.7%,均比较合理。底部加强区的用钢量为53.8kg/㎡,标准层的用钢量为45.9kg/㎡

六、结论

采用剪力墙面积占比、暗柱面积占比的控制成本方法,为高层剪力墙结构用钢量的控制提出量化分析的指标,可为结构方案设计、成本优化设计提供参考。

参考文献:

[1]《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010

[3]《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010