结构设计的经济性措施.docx
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结构设计的经济性措施
结构设计的经济性措施
1建筑体型
2结构计算
2.1整体计算指标控制
2.2重力荷载
2.2.1重力荷载的计算要点
2.2.1重力荷载标准值控制范围
2.3基本自振周期
3结构材料
3.1钢筋
3.2混凝土
4结构构件设计
4.1楼板设计
4.2梁设计
4.3墙柱设计
4.4基础及地下室设计
5高层住宅经济性指标参考
1建筑体型
多层建筑一般是竖向重力荷载起主导作用,而对于高层建筑,如何抵抗水平荷载则是首要问题。
建筑物的体型对抗风、抗震的影响非常大,好的体型决定了建筑物抗风、抗震的上限,合理的计算和构造只是去接近这个上限。
在建筑方案阶段,结构工程师的重要工作就是要说服建筑师采用较为规整的体型。
抗震设计时,平面不利于抗震的体型有凹凸过大、细腰和角部重叠形、楼板开大洞等;立面不利于抗震的体型有头重脚轻、h形立面等。
抗风设计时,要控制建筑物体型的光滑程度。
圆形、椭圆形是最佳体型,方形切角,整个平面没有直角或锐角也是比较好的体型。
建筑外表面要尽量避免装饰性的突起,尽量光滑。
2结构计算
2.1整体计算指标控制
结构整体计算需要控制的指标有:
位移比、周期比、刚度比、层间受剪承载力比、剪重比、刚重比、层间位移角、轴压比等。
结构计算要让所有参数满足规范要求,但为了经济性又不能远远超过标准值,整个建模计算过程需要结构设计人员不停的尝试、不停的纠错,在整体指标“通过计算”和“经济合理”之间找到契合点。
2.2重力荷载计算
重力荷载一般由4部分组成:
①结构自重;②楼、底面粉刷、吊顶自重,屋面找坡、防水、保温层等自重;③填充墙及门窗自重;④使用活荷载。
结构设计时候应建立两个清楚的概念:
(1)轻。
尽量采用轻质、高强的建筑材料,减轻自重;
(2)准。
重力荷载的计算牵一发动全身,它的准确计算,关系到建筑物的实际安全度的准确控制,也关系到结构设计的经济性。
2.2.1重力荷载的计算要点
(1)计算结构自重时,扣除梁板重叠部分的板重、墙板重叠部分的板重、梁柱重叠部分的梁重等;
(2)使用活荷载计算要根据《建筑结构荷载规范》GB5009-2012第5.1.2条的规定进行折减;
(3)消防车活荷载计算要根据板跨和覆土厚度进行折减,折减系数可参见《荷载规范》附录B;
(4)设计楼面梁时,消防车活载应做折减,单向楼盖次梁和双向楼盖主、次梁折减系数取0.8,单向楼盖的主梁折减系数取0.6;
(5)计算填充墙自重时,应扣除梁高,且根据门窗洞口的大小进行适当的折减。
2.2.2重力荷载标准值控制范围
采用普通轻质填充墙(墙密度为1000~1300kg/m³)的各类现浇混钢筋混凝土结构的平均重力,其范围大致如下表2.2所示:
表2.2重力荷载标准值控制范围
结构体系
框架结构
框架-剪力墙结构
剪力墙结构、筒体结构
平均重力(kN/㎡)
10~14
13~15
14~16
<附件1>为荷载计算书范例,设计人员应根据工程实际情况填写,施工图审查时作为结构计算书的依据之一。
<附件2>为消防车荷载计算表,供设计人员参考,用于工程设计时,设计人员应仔细验证。
2.3基本自振周期
高层建筑结构的基本自振周期,是在自身质量和侧移刚度确定后,自身固有的及其重要的力学特性。
它的大小直接影响到水平荷载,如风和地震这两类动力荷载作用于建筑物自身的效应,同时又是衡量一个高层建筑结构质量和刚度是否匹配、刚度是否合理的重要指标。
高层建筑结构基本自振周期较佳幅值:
T1=(0.10~0.14)n框架结构
T1=(0.08~0.12)n框剪、框筒结构
T1=(0.05~0.08)n剪力墙结构
n为高层建筑结构层数。
3结构材料
3.1钢筋
结构受力钢筋均采用三级钢(HRB400),构造钢筋采用三级钢(HRB400)或一级钢(HPB300),避免使用二级钢(HRB335)。
3.2混凝土
粱、板:
C40~C25,尽量不宜超过C35,高标号混凝土不经济且容易开裂,除屋面外住宅上部楼层可以采用C25;
框架柱:
C60~C30,当地条件应许下,应尽可能提高柱子的混凝土强度等级,减小柱截面尺寸;
剪力墙:
C50~C30;
侧壁:
C30,地下室侧壁一般长度较大对混凝土强度要求不高。
4结构构件设计
4.1楼板设计
(1)楼板受力钢筋采用三级钢HRB400时,其最小配筋率采用0.15和45ft/fy中的较大值。
例如:
厚度100mm的楼板,砼等级为C30时,最小配筋率为max{0.15%,0.179%}=0.179%,按最小配筋率可配Φ6@150(188mm2/m)。
(2)楼板底筋最小直径可取Φ6,支座筋最小直径宜为Φ8。
(3)地下室、屋面等需要设置通长钢筋的楼板,按最小配筋率设置通长钢筋,配筋不足之处附加。
(4)地震设防区跨度≥1.2m的楼层悬臂结构,如无特殊要求宜采用梁板式结构;当跨度<1.2m可采用悬臂板式结构。
(5)小跨度楼板上砌砖墙时墙底可不设次梁,但上机计算时应按等效荷载法输入隔墙荷载。
4.2梁设计
(1)抗震等级为一、二级的框架梁应有1/4的负筋拉通(且不应小于底面纵筋的1/4),直径不应小于14mm;拉通面筋的数量应与箍筋肢数对应,不足时应配置架立筋补足;对于三级及以下的框架梁,可用架立筋与梁负筋搭接。
(2)除设计特别注明外,楼层梁架立筋宜按下表4.2配置。
一般情况下,次梁在跨中可按下表设置架立筋而不需设置通长面筋,对于承受荷载较大同时跨度也较大时的框架梁和次梁(如地下室顶板),可采用部分支座纵筋作为通长面筋。
表4.2梁架立筋选取表
梁类型
梁跨度
L<4m
4m≤L<6m
L≥6m
次梁
10
12
14
框架梁
12
14
16
图4.2梁顶纵筋示意图
(3)梁纵向钢筋的经济配筋率在0.6%~1.5%之间,当无特别要求时,可按此配筋率确定梁高。
(4)框架梁箍筋加密区间距根据情况可选用150mm(如抗震等级为三、四级,梁高≥600时);梁截面宽度选择时,宜尽量避免4肢箍筋(b≤350mm)。
(5)当梁腹板高度hw≥450时,在梁的两个侧面沿高度应配置腰筋,每侧构造腰筋的间距不宜大于200mm,截面积不应小于腹板截面面积(b×hw)的0.1%,梁宽较宽时可适当放松。
(注:
hw=h0-h,h为板厚)
(6)等高十字梁相交处可不设附加箍筋。
(7)高层住宅楼层较多时,梁配筋应按楼层分段配筋。
(8)当框架梁内力由水平作用控制,支座底筋较大而跨中底筋较小时,可采用另加支座底筋的形式配置钢筋。
(9)框架梁支座钢筋不应超配,当实配钢筋与计算钢筋相差较小时,可将支座面筋调幅到梁底筋(注:
支座面筋过多,易造成施工困难,影响节点浇筑质量,且容易形成强梁弱柱,不利于抗震)。
4.3墙柱设计
(1)合理布置剪力墙:
①适当增加结构周边剪力墙长度或其翼缘长度,减少结构内部长肢剪力墙和核心筒附近的部分剪力墙;
②优化结构布置,尽量避免采用短肢剪力墙和框支剪力墙;
③高层住宅结构的最大层间位移角出现在中部楼层偏下部位,当建筑层数较多时,上部楼层可适当缩短剪力墙长度,减小其刚度;
④混凝土强度等级只用来控制剪力墙轴压比,不应考虑提高砼等级来加强剪力墙结构的刚度。
(2)约束边缘构件箍筋根据体积配箍率经计算确定,箍筋间距可在100~200mm之间取值,箍筋应采用三级钢(HRB400),有利于降低箍筋配筋值。
(3)剪力墙截面厚度不大于400mm可采用双排配筋;大于400mm、但不大于700mm时,宜采用三排配筋;大于700mm时宜采用四排配筋。
剪力墙按构造要求配置的水平、竖向分布钢筋可参考下表4.3设置:
表4.3剪力墙分布钢筋构造要求
墙厚
排数
分布钢筋配筋率
0.20%
0.25%
0.30%
0.50%
200
2
Φ8@250
Φ8@200
Φ8@150
Φ10@150
250
2
Φ8@200
Φ8@150
Φ10@200
Φ12@175
300
2
Φ10@250
Φ10@200
Φ10@150
Φ12@150
350
2
Φ10@200
Φ10@175
Φ10@175
Φ14@175
400
2
Φ10@180
Φ10@150
Φ12@175
Φ14@150
4.4基础及地下室设计
(1)建筑物基础选型应选择经济合理适用的基础型式,优先级依次为天然地基上的浅基础、天然地基上的深基础、人工地基上的浅基础、人工地基上的深基础。
(2)大直径灌注桩的钢筋一般情况下应参照下表4.4.1设置,对受荷特别大的桩、抗拔桩及穿越液化土层的桩应根据计算及实际情况确定配筋。
表4.4.1大直径灌注桩桩身配筋表
桩直径d
①
通长纵筋
配筋率%
③
加劲箍
④
螺旋箍
Ln
④筋加密区段
800
12Φ14
0.37
Φ12@2000
Φ8@200
2000
1000
14Φ16
0.36
Φ12@2000
Φ8@200
2000
1200
18Φ16
0.32
Φ12@2000
Φ8@200
2000
1400
22Φ16
0.29
Φ14@2000
Φ8@200
3000
1600
26Φ16
0.26
Φ14@2000
Φ10@200
3000
1800
30Φ16
0.24
Φ16@2000
Φ10@200
3000
2000
30Φ18
0.24
Φ16@2000
Φ10@200
3000
2200
34Φ18
0.23
Φ16@2000
Φ12@200
3500
2400
36Φ18
0.20
Φ18@2000
Φ12@200
3500
2600
40Φ18
0.19
Φ18@2000
Φ12@200
3500
2800
40Φ20
0.20
Φ18@2000
Φ12@200
3500
(3)地下室底板宜优先选用以天然基础或桩承台为柱帽的平板式结构,计算配筋时应考虑天然基础或桩承台的有利影响。
(4)主楼以外地下室面积较大时,地下室顶板应根据建筑首层室外布置确定消防车通道范围,非消防车通道范围顶板的活载一般取5kN/㎡。
(5)地下室顶板荷载较大,梁钢筋太多导致钢筋间距过密或梁纵筋超过2排,可采用大直径钢筋Φ28、Φ32,减少钢筋数量。
(6)常用地下室顶盖的经济性比较见表4.4.2。
表4.4.2地下室顶板结构方案经济性比较
楼盖类型
柱距
框架梁
截面
次梁
截面
楼板
厚度
每平方混凝土用量(m3)
每平方钢筋用量(kg)
无梁楼盖
8.1×8.1
450
0.524
50
十字梁楼盖
8.1×8.1
550×900
300×800
180
0.376
99
井字梁楼盖
8.1×8.1
500×900
300×700
180
0.410
89
单向肋梁楼盖
8.1×8.1
600×900
350×800
180
0.365
86
根据上表的统计和工程经验:
当荷载较大时,无梁楼盖的含钢量最小,具有较好的经济性;当荷载较小时,单向肋梁楼盖的经济性较好。
5高层住宅经济性指标参考
(1)高层住宅结构的经济性一般以单位面积用钢量控制为主,单位面积混凝土用量控制为辅,应分开地下室及塔楼进行控制。
(2)塔楼的经济性控制指标可根据项目建设地点的设防烈度、基本风压及建筑高度等条件确定,常规情况下长沙地区高层住宅塔楼单位面积用钢量指标可参考表5.1.1选用(按建筑面积计算),并根据项目的设计特点(层高、建筑面层做法、平面规则性、是否转换等)进行适当调整。
表5.1塔楼单位面积用钢量控制标准(kg/㎡)
设防烈度
12~19层,≤60m
20~26层,≤80m
27~33层,≤100m
6度(0.05g)
36~40
38~41
41~45
7度(0.10g)
38~42
40~43
44~48
7度(0.15g)
40~46
42~47
45~52
8度(0.20g)
41~47
45~50
47~54
8度(0.30g)
45~49
49~52
55~60
注:
1.表中数据适用于一般不规则、不需进行结构转换且建筑面层不大于5cm的高层住宅。
2.当结构采用转换时候,用钢量一般增加2~2.5kg/㎡。
3.本指标适用于场地土类别为Ⅱ类,如为Ⅰ类场地应略减,Ⅲ、Ⅳ类场地应增加。
4.本指标适用于基本风压≤0.6kPa以下地区,大于0.6kPa地区的27~32层住宅略增。
5.本指标适用于标准层层高不大于3米的高层住宅,层高大于3米时候每增加0.1米用钢量增加1kg。
6.一般情况下,用钢量可拆分为板10kg/㎡、梁15~18kg/㎡、墙柱20~25kg/㎡。
7.本指标未考虑施工损耗,不包括砌体构造柱及砌体拉结筋。
(3)高层住宅塔楼单位面积混凝土含量一般不超过0.3m³/㎡,当结构采用转换时,可根据转换的程度按转换层单位面积0.65~0.9m³/㎡计算。
(4)
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