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

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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。

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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1000~1300 kg/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 平均重力（kN/㎡）

<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。

框架结构 10~14 框架-剪力墙结构 剪力墙结构、筒体结构 13~15 14~16 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

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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）。

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（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 次梁 框架梁 梁跨度 L＜4m 10 12 4m≤L＜6m 12 14 L≥6m 14 16 5

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

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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。

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（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 200 250 300 350 400

排数 2 2 2 2 2 分布钢筋配筋率 0.20% Φ8@250 Φ8@200 Φ10@250 Φ10@200 Φ10@180 0.25% Φ8@200 Φ8@150 Φ10@200 Φ10@175 Φ10@150 0.30% Φ8@150 Φ10@200 Φ10@150 Φ10@175 Φ12@175 0.50% Φ10@150 Φ12@175 Φ12@150 Φ14@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 800 1000 1200 1400 1600 1800 ① 通长纵筋 12Φ14 14Φ16 18Φ16 22Φ16 26Φ16 30Φ16 配筋率% 0.37 0.36 0.32 0.29 0.26 0.24 ③ 加劲箍 Φ12@2000 Φ12@2000 Φ12@2000 Φ14@2000 Φ14@2000 Φ16@2000 ④ 螺旋箍 Φ8@200 Φ8@200 Φ8@200 Φ8@200 Φ10@200 Φ10@200 Ln ④筋加密区段 2000 2000 2000 3000 3000 3000 8

2000 2200 2400 2600 2800

30Φ18 34Φ18 36Φ18 40Φ18 40Φ20 0.24 0.23 0.20 0.19 0.20 Φ16@2000 Φ16@2000 Φ18@2000 Φ18@2000 Φ18@2000 Φ10@200 Φ12@200 Φ12@200 Φ12@200 Φ12@200 3000 3500 3500 3500 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5 kN/㎡。

（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

框架梁 截面 次梁 截面 楼板 厚度 450 180 180 180 每平方混凝土用量（m3） 0.524 0.376 0.410 0.365 每平方钢筋用量（kg） 50 99 89 86 楼盖类型 柱距 无梁楼盖 十字梁楼盖 井字梁楼盖 8.1×8.1 8.1×8.1 550×900 300×800 8.1×8.1 500×900 300×700 单向肋梁楼盖 8.1×8.1 600×900 350×800

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。

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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 6度（0.05g） 7度（0.10g） 7度（0.15g） 8度（0.20g） 8度（0.30g） 12~19层，≤60m 36~40 38~42 40~46 41~47 45~49 20~26层，≤80m 38~41 40~43 42~47 45~50 49~52 27~33层，≤100m 41~45 44~48 45~52 47~54 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2~2.5 kg/㎡。

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1 kg。

6.一般情况下，用钢量可拆分为板10 kg/㎡、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0.3 m³/㎡，当结构采用转换时，可根据转换的程度按转换层单位面积0.65~0.9 m³/㎡计算。 （4）

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