结构设计含钢量问题综述
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近年来，随着房地产市场的竞争越来越激烈，如何控制成本，创造更大的利润，成了各房地产商追求的目标。在一个房地产项目中，一般土建造价约占建筑总造价的70％，在土建造价中钢筋混凝土用量占主要部分，而混凝土价格为几百元／吨，钢材的价格为几千元／吨。所以控制建筑的含钢量成了房地产商控制成本最有效的手段之一，有些房地产商甚至把建筑含钢量要求写入设计合同。建筑结构含钢量指的是建筑总用钢量除以总建筑面积得到的一个建筑经济指标，通常以kg／m表示。本文从结构设计角度，对影响建筑结构含钢量的因素及控制措施进行一些探讨。
1影响含钢量的因素及控制措施
1．1建筑结构布置
影响结构含钢量的因素首先是建筑物的体型，包括建筑物的开间、进深、层高，平面形状的凹凸、竖向立面的缩进、悬挑等等。建筑布置的任何平面不规则或竖向不规则都将导致含钢量的增加。有些结构工程师往往过于迁就建筑专业，不对某些无必要的不规则情况提出意见，造成结构平面或竖向严重不规则，将一个本来可以不超限的高层做成超限高层，大大增加了结构含钢量，造成了浪费。这就要求结构工程师提前介入建筑方案的讨论，使最终的建筑方案尽可能简单、规则。在确定建筑物的体型后，就要进行结构选型和结构布置。我们主要根据建筑物的高度及建筑的空间使用功能确定结构形式。结构布置应均匀、对称，力求刚心和质心重合，尽量避免出现GB50011-2010建筑抗震设计规范(以下简称《新抗规》)第3．4．3条及JGJ3-2002高层建筑混凝土结构技术规程(以下简称《高规》)第4．3．3条等相关不规则情况。这样就给下阶段设计工作中合理控制结构含钢量打下良好的基础。
1．2结构计算模型荷载取值
荷载取值的大小直接影响结构含钢量是否合理，过小的荷载会导致结构的不安全，过大的荷载则造成浪费。设计工作中应尽量选用轻质墙体材料，根据建筑墙身做法详细计算荷载，门窗荷载应折去。活载应根据具体建筑功能严格按GB50009-2001建筑结构荷载规范(2006版)(以下简称《荷载规范》)取值。非固定隔墙的荷载应折人楼面活载。对于《荷载规范》4．1．2条可以折减的项目，应予以折减。结构工程师应该对各种结构形式的单位面积质量有一定了解。
1．3结构计算参数的选择
目前结构设计计算软件有很多，每个计算软件都有大量参数需要结构工程师设置，这些参数都会影响结构含钢量，必须了解其意义及对计算结果的影响。
1)计算振型个数。该值若取值太小不能正确反映模型应当考虑的振型数量，使计算结果失真；取值太大，不仅浪费时间，还能使计算结果畸变。振型个数一般取振型参与质量达到总质量的90％所需的振型数即可。
2)结构基本周期。结构基本周期是计算风荷载的重要指标。该参数对于以风荷载起控制作用的高层建筑的含钢量有一定的影响。设计人员可以先保留软件的默认值，待计算后从周期计算结果中提取该值，填入“结构基本周期”选项中，再次计算得出各结果。3)中梁刚度放大系数。一般结构计算中，中梁刚度放大系数取1．5—2之间的某一数值，为的是考虑楼板对结构的刚度贡献，此时计算出来的梁的内力和配筋都会有所提高。故该数值应该按实际情况取值，人为的增加刚度而引起含钢量增加是不必要的。
1．4结构计算指标的控制
1)周期比。周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不致出现过大的扭转。《高规》第4．3．5条：结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比，A级高度高层建筑不应大于0．9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于0．85。设计软件一般不直接给出结构的周期比，需要结构工程师根据计算书中的周期值自行判定第一扭转和第一平动周期。当周期比不满足《高规》第4．3．5条时，需进行结构布置调整，具体可以增加周边结构构件的刚度，减小中间结构构件的刚度，以增加结构的整体抗扭刚度。
2)位移比。位移比是控制结构平面不规则性的重要指标。《高规》第4．3．5条给出了相应的规定。该值如果超过了1．2，说明结构竖向构件布置的不均匀，刚心和质心不重合，结构扭转产生内力，导致竖向构件和框架梁的配筋都增大。此时，需调整竖向构件布置使其刚心和质心相重合，以减小结构平面的扭转。此外，根据《新抗规》第3．4．1—3．4．3条及其条文说明的内容，位移比1．2～1．4时，为一般不规则情况；位移比大于1．4时，为特别不规则情况。位移比是判别该建筑是否为超限高层的重要指标，对含钢量影响很大。
3)刚度比。刚度比是控制竖向不规则的重要指标，同时也是判别该建筑是否为超限高层的重要指标。结构工程师应根据实际情况，对上下层结构构件的刚度进行调整，以达到减少内力、控制含钢量的目的。
4)层间受剪承载力之比。层间受剪承载力之比也是控制结构竖向不规则的重要指标。
5)配筋率。配筋率影响结构含钢量的大小。结构计算结果不超筋，并不表示结构构件现有的截面合理，结构工程师应根据配筋率进行构件优化设计。梁纵向受拉钢筋的经济、合理的配筋率宜在0．6％～1．5％范围内，若超过这一范围，宜加大或减小梁截面。
1．5施工图绘制
因为不同结构工程师的经验、习惯、对规范的理解和计算程序结果的理解程度不同，导致同样的计算结果，最君绘制出来的施工图的钢筋含量差异很大。比如，每个设计人员在绘制梁图中都会采取同类归并，用较大的配筋构件去包络较小的配筋同截面构件，但有时候因为受力不同，两根跨度、截面相同的梁，配筋差异会很大，这时候归并为同一种配筋就显得很不经济了。再如，部分设计人员习惯将非框架梁的上部钢筋设置为(1)22或(I)25的通长筋，这种做法对非框架梁和三级或四级框架梁来说没有必要。按《新抗规》第6．3．4条，可以将梁的上部钢筋在跨度中问1／3区段采用较小直径钢筋搭接，这种方法也可降低含钢量。又如，设计人员在绘制施工图中或多或少都会增大结构计算配筋的结果。有的设计人员加大梁上部支座钢筋，认为钢筋加大，结构就更安全。其实这样增加钢筋，反而起到了相反的作用，增加了梁端的刚度，而没有增加柱端刚度，是结构在遭遇地震作用时，柱端先于梁端出现破坏，违背了“强柱弱梁”的设计原则。又如，关于框架柱、剪力墙边缘构件的最小配箍率计算，规范没有明确对于复合箍是否要扣除重叠部分的箍筋。一般设计人员就按最保守的考虑，即按扣除重叠部分箍筋计算配箍率，这样箍筋用量就会增加，还会造成因箍筋太密而影响混凝土的施工质量。有经验的设计人员会适当考虑一些重叠部分的箍筋，这样既节省了工程造价，又方便了施工。现在市场上钢筋种类很多，选择不同的钢筋对含钢量影响很大。新版GB50010—2010混凝土结构设计规范对钢筋种类做出了较大调整，增加了HRB335，HRB500等高强度钢筋，剔除了原HPB235钢筋。总的来说是提高了钢筋的强度等级，并提倡采用高强度钢筋，以达到增加结构构件的安全储备和节省资源的目的。比如HRB400级钢筋强度设计值为HRB335级钢筋的1．2倍，而市场价格HRB400级钢筋是HRB335级钢筋的1．05倍，采用HRB400级钢筋比采用HRB335级钢筋理论上可以节约造价的10％左右。采用高强度钢筋，可以充分利用钢筋的高强度，大大降低用钢量，对钢筋加工、绑扎、施工周期都有很大的益处。
2结语
在国家大力提倡建设节约型社会的今天，含钢量已经成为房地产商衡量一个设计院设计质量的重要指标之一，不少结构工程师也越来越重视含钢量的控制。但含钢量并不是越小越好，节省含钢量也绝不能以牺牲工程质量为代价。结构工程师应在理解规范及条文的基础上对设计工作不断优化，力争作出安全、适用、经济的结构。