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发表于 2014-9-5 16:45:23
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对常规的结构类型，开发商往往在设计合同内对含钢量加以限制。如何在满足安全可靠的前提下，尽量减小用钢量是现阶段业界需要面对的问题。首先需要明确的是，结构方案的合理性和规则性是决定结构体系含钢量的首要因素，该问题属概念设计的范畴，而文中仅从常见构件设计的角度，总结了一些对控制钢筋混凝土结构含钢量有效的措施。
1.基础
1.1 基桩
基桩按照制作工艺可划分为预制桩和灌注桩两大类，前者是有专门的厂家生产，设计时选型即可，故不必再讨论。对后者的配筋问题，桩基规范[1]规定：桩径为0.3～2m时，正截面配筋可取0.65%～0.2％。规范规定的配筋率主要是基于工程经验，虽然从受力角度，基桩主要承担拉压力和水平力，桩的配筋在多数情况下不是由抗弯确定的，但考虑到桩身受弯截面模量与桩径成3次方关系，故较大直径基桩对应较小的配筋率，而较小桩径对应较大的配筋率，中间值采用线性插值的方法是合理的。另外，在选择钢筋根数时，还应控制纵筋间距在一个合理范围(200～300mm)，以考虑施工的便利。表1为按照以上原则设计的某工程人工挖孔桩配筋表，以供参考。
某工程人工挖孔桩配筋 表1
桩径/m
纵筋
配筋率/%
纵筋间距/mm
1.0
1618
0.52
196
1.2
1820
0.50
210
1.4
2220
0.49
220
1.6
2222
0.42
228
1.8
2422
0.36
235
2.0
2622
0.32
241
2.4
3222
0.27
235
2.8
3822
0.24
231
基桩的配筋长度，除遵循一般规定和遇到特殊地质条件的特殊要求(如：纵筋须穿越可液化和软弱土层等)外，还应具体情况具体分析。例如：对于持力层较深、桩长较长的承压兼抗拔桩，其桩长取值由抗压控制，即桩底须落在可靠的持力层内，而钢筋长度却由抗拔控制，在满足抗拔计算要求后，若理论计算满足抗拔的桩长距桩底尚有一定深度，就没有必要要求纵筋一通到底，仅此一项对于钢筋总量的控制就具有重要意义。
1.2 承台
桩基规范明确规定：除了两桩承台和条形承台梁的纵筋须按照混凝土规范[2]中表9.5.1执行最小配筋率的规定外，其它情况均可按照0.15%控制。对联合承台或桩筏基础的筏板应按照整体受力分析的结果，采用“通长筋 附加筋”的方式予以设计。对承台侧面的分布钢筋，则没有必要执行最小配筋率的要求，采用12@300的构造钢筋即可。需要特别指出的是，位于电梯井筒区域的承台，由于电梯基坑和集水井深度的要求，常常需要局部下沉(图1)，按照常规做法(方案一)，处于该区域的承台应局部降低，若该联合承台面积较小，可采用改进措施(方案二)，即将整个承台均下降，承台顶面标高降低至电梯基坑顶面。该做法不仅避免了常规做法构造和施工复杂的缺点，而且不存在局部承台较厚，需要配置较大规格钢筋的不利局面。但对于承台面积较大的情况，仍建议按照常规方法设计。消防电梯的集水井应与建筑专业协调，尽量将其移至承台以外的区域，通过预埋管道连通基坑和集水井，按此方法处理，可大大简化承台设计和施工难度。类似的设计方法可在设计中灵活采用，不仅节省钢筋，还减少混凝土用量。
图1 联合承台不同降板方案比较
1.3 地下室底板
一般地下室底板的受力工况较为复杂，不但有上部结构、自重等荷载，有时尚需考虑水浮力的作用。根据地质情况的不同，常规的做法为“独立基础(或桩基承台) 防水板”或筏板(桩筏)。目前地下室底板采用“无梁楼盖 柱帽”的方案逐渐增多(图2)。其主要理由为后者可适应于不规则柱网，基础刚度大，受力均匀，且与梁板式方案，其结构所占高度较小，故可减少基坑开挖深度，相应节约部分降水和基坑支护的费用。在某些情况下[8]，底板采用倒无梁楼盖与倒梁板式方案比较，含钢量具有一定优势。对筒体等受力较大的区域可通过局部加大板厚和配筋的方式予以解决；无梁楼盖 柱帽的形式也比较符合实际受力机理，故对地下室底板设计时，该方案可建议作为优选方案之一。另外，底板的最小配筋率有别于上部结构，可依据混凝土规范第9.5.2条的规定，均可归为“卧置于底板地基上的混凝土板”，按0.15％控制。
图2 某工程承台兼柱帽详图
2.上部结构
2.1 竖向构件(墙柱)
一般剪力墙的配筋率根据高规[3]的规定：其竖向和水平分布筋的配筋率，一～三级抗震设计时均不应小于0.25%，四级抗震设计和非抗震设计不应小于0.20％。此条文往往成为开发商要求降低墙体分布筋配筋率的重要依据，不论结构的高度和规则性如何，一律要求按照最低限控制，例如：剪力墙厚度为200mm时，配置Φ8@200双层双向的分布筋即可满足最小配筋率要求。但若简单地为节约钢筋，不论何种类型的结构体系，均按最低限的配筋率设计，势必降低结构整体的安全度，是不可取的。较为可行的措施是对高度较高、平面布置规则性较差的结构，剪力墙分布筋的配筋率应按较高的要求控制，反之可适当降低标准。例如：墙厚200mm，若为构造配筋，剪力墙分布钢筋可根据需要分别选择 8@200， Φ8 /10@200或 10@200等。另外，根据施工现场反馈的意见，单纯采用Ⅰ级钢(如：Φ8)作为剪力墙分布筋，钢筋太细，强度较低，很难在钢筋绑扎、支模期间起到有效的支撑作用，不宜采用。
短肢剪力墙配筋尚存在一个容易混淆的问题 即需要明确，高规对短肢剪力墙结构须提高其抗震等级和全截面纵筋的配筋率在底部加强区和其他部分分别不宜小于1.2％，1.0％规定的前提条件，是基于短肢剪力墙较多的结构，不是则可不执行该条文。
一般剪力墙结构标准层墙体厚度取200mm的居多，结合高规的相关规定，对T、L和一字型墙体，其中某一段墙肢长度大于1.6m时，可视为一般剪力墙。当底层层高较高时，为满足墙体稳定性的需要，往往需要加厚墙体，墙厚取值一般为300~500mm，按照高规规定，仅加厚墙体而不增加墙长，墙体会转化为短肢剪力墙。对此情况底层剪力墙的配筋是否应严格遵守高规的规定是值得商榷的问题。广东高规补充[4]有两个规定：第一，墙厚不小于层高的1/15，且不小于300mm，高厚比大于4时仍属于一般剪力墙。以上规定相当于对墙厚不小于300mm的剪力墙，放松了要求。第二，短肢剪力墙中底部加强部位墙肢约束边缘构件纵筋配筋率不应小于1.2％，其他部位不应小于1.0％。该条文实质是将高规规定的适用于全截面的配筋率范围缩小到位于短肢墙两端的约束边缘构件范围内。通过以上的两点细化，可适当减小剪力墙含钢量。
框架柱设计第一要素是柱截面尺寸不要抠太紧，即轴压比不宜太接近限值，这不仅可减少配筋，而且还能较易实现强柱弱梁的要求。纵筋配置也应有适当余量，角筋可选择较大直径，其他纵筋根据计算要求设计即可。箍筋的配置在满足最小配箍率和计算要求前提下，宜Ⅰ和Ⅱ(Ⅲ)级钢混用，即外围箍筋选用Ⅱ、Ⅲ级钢，内部箍筋仍采用Ⅰ级钢。这样可利用强度较高的外围箍筋增加对内部混凝土的约束，而且容易实现配箍率要求。若全部采用Ⅰ级钢，为满足配箍率，有可能箍筋数量会太多或者直径过大。若全部采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋，又可能不经济。剪力墙边缘构件的配箍可采用类似的方法。
2.2 梁板
汶川地震震害调查发现，现有的框架结构以柱端出塑性铰较多，而梁端很少发现，很难实现强柱弱梁的设计理念。其中一个主要原因是设计很少考虑楼板对梁的刚度贡献。基于现行规范和计算程序，较为可行的方法为梁配筋以满足计算要求即可，没有必要超配，若有充分依据，并考虑板内与梁平行钢筋的贡献，可适当减少梁配筋。从节约的角度，架力筋即顶部通长钢筋可以选择直径较小的钢筋与支座钢筋搭接(受力需要设置通长钢筋例外)，梁的架力筋要求，抗震规范[5]第6.3.4条有明确规定，依据此执行即可。设置架力筋有一个好处，就是由于梁端每个支座均通过架力筋搭接，每个梁支座配筋可根据计算需要设计不同钢筋直径和根数，而不必要兼顾通长钢筋的配置。以往梁顶部通长钢筋的做法是为了减少钢筋规格，便于施工，但无论是从实际受力还是震害调查结果显示，梁上部设计较大规格的通长钢筋大部分是没有必要的。该项措施的实施可大大节约含钢量。
工程实践发现，以10、12作为受荷较大的梁箍筋，可大大缓解过去采用Ⅰ级钢筋设计所出现的箍筋过密，且不方便施工的矛盾。
楼板的配筋应以Ⅱ、Ⅲ钢筋为主。由于地区差异，一些地区仍旧采用Ⅰ级钢筋作为楼板钢筋，由于强度较低，往往由配筋率起控制作用，不经济。另外，尚需注意一些地方规范的特殊要求，例如：江苏省[6]规定：对住宅类建筑，为防止出现混凝土结构裂缝，建筑物两端开间及变形缝两侧的现浇板应设置双层双向钢筋，钢筋直径不应小于8mm，间距不应大于100mm。
楼板的配筋与板跨、梁的平面布置形式和荷载等因素密切相关，针对具体的需要，设计合理的梁平面布置，使得楼板厚度和配筋处于一个合理的范围是设计应做的。一般住宅类剪力墙结构，板跨的划分多由房间布置决定，结构可调整的余地不大。对一些较大面积、柱网较为整齐的裙房和地下车库(柱网尺寸8m左右)等，应多方案比较梁布置的合理性。一般对类似车库功能的楼层，且无太多房间布置的情况，可考虑在一个方向通长布置两道次梁的单向板作为优选方案之一。而对于裙房有较多房间划分，设置双向双道次梁的双向板更利于主、次梁配合建筑的灵活布置。对覆土较厚的地下室顶板，有时尚需考虑消防车荷载的情况，仍旧建议以双向板为宜，便于荷载的多向传递，减少各道梁承担的荷载。
3 结论
在确保结构方案尽可能合理的前提下，再对各结构构件进行精细化设计，结构用钢量应该可以控制在一个较为合理的范围内。
参考文献
[1] JGJ94-2008建筑桩基技术规范 [S].北京：中国建筑工业出版社,2008.
[2]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.
[3] JGJ 3—2002高层建筑混凝土结构技术规程 [S].北京：中国建筑工业出版社,2002.
[4] DBJ/T15-46-2005广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）补充规定[S].北京：中国建筑工业出版社，2005.
[5] GB50011-2001 建筑抗震设计规范(2008年版) [S].北京：中国建筑工业出版社,2008.
[6] DGJ32/J16-2005江苏省工程建设标准 住宅工程质量通病控制标准化[S].北京：中国建筑工业出版社,2006.
[7]朱炳寅，娄宇，杨琦. 建筑地基基础设计方法及实例分析[M].中国建筑工业出版社，2007.
[8]刘俊 赵洋. 某工程地下室底板倒无梁楼盖与倒梁板式楼盖经济性比较 [J]. 深圳土木与建筑，2007(4):64-66.
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