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【摘 要】 剪力墙住宅的含钢量指标构成中，剪力墙配筋（包含墙体及边缘构件）占比最高。本文从剪力墙长度及边缘构件构造入手，通过采用分层缩短平面内部墙肢及精细化设计边缘构件配筋的措施，降低结构总体含钢量水平，为普通剪力墙住宅的含钢量控制提供了一些可借鉴的方法。
【关键词】 剪力墙结构；含钢量；边缘构件；优化
随着国内房地产市场的不断发展，房地产开发企业的管理模式由粗放型管理向精细化管理转变，开发成本控制理所当然的成为了最重要的管理环节之一。可以看到，越来越多的开发企业采用对标管理作为设计环节成本控制的重要手段。就结构专业而言，含钢量是最主要的指标之一。实际工程设计中，控制含钢量的基本原则为，在满足结构计算结果的前提下仅按规范最低构造要求配置钢筋，从而达到降低含钢量的目的。考虑到规范条文以原则性的规定为主，对于剪力墙结构，即使墙体布置已确定，设计时仍存在一定的优化空间。
1 工程概况
本工程位于江苏省南京市河西地区，地上33层、地下2层的剪力墙结构住宅。结构高度（室外地坪至大屋面）99.700米，标准层层高3.000米。建筑设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地土类别为III类，结构抗震等级为二级，基本风压为0.40kN/m2（结构高度>60米，承载力计算时按1.1倍采用[1]）。结构1～4层为底部加强区，1～5层设置约束边缘构件，6层及以上设置构造边缘构件并视为标准层。在方案设计中，优化墙肢布置后标准层结构平面布置如图1所示，布墙率（墙体面积占标准层结构面积的百分比）为4.86%，主要计算结果如表1所示，均位于规范限值附近。经概预算部门统计，此结构方案的地上部分含钢量为42.2kg/m2（含所有结构构件及非结构构件，并以结构面积计算），满足甲方对含钢量的要求。考虑到设计时须保留一定余量，以确保含钢量在施工图完成时仍能满足甲方要求，在结构布置不变的条件下，施工图中将从细节入手，进一步优化，降低含钢量。
分析概预算结果可知，在含钢量的总体构成中，95%来自结构构件配筋，约40kg/m2。在结构构件中，占比最高的为剪力墙配筋（包含墙体及边缘构件），约为总含钢量的47.5%即20kg/m2，其余梁、板、基础、楼梯合计约为总含钢量的47.5%即20kg/m2。由此可见，控制剪力墙配筋是最有效的降低含钢量的方法。
2 剪力墙长度优化
本工程结构布置平面中，两侧剪力墙对刚度的贡献较大，对总体位移指标起控制作用，其长度从上到下无法缩短。内部的剪力墙对刚度的贡献较小，其长度均为轴压比控制，可根据具体情况分层缩短。考虑到墙肢长度不大于其墙厚8倍时为短肢剪力墙[2]，配筋较一般剪力墙严格，墙肢长度最经济可缩短至1650mm（200mm厚墙肢）。单纯从剪力墙面积的角度考虑，采用每层缩短的方法可将墙肢面积做到最小，但过于频繁的缩短墙肢会带来施工的不便和钢筋的浪费。根据《建筑物抗震构造》（苏G02-2011）37页图示要求，墙肢缩短处边缘构件须向下延伸一层并在下方第二层锚固。由此规定可知，墙肢缩短时遵循以下两条原则可在控制含钢量的同时保证施工的便捷。
1） 每次缩短的墙肢长度不小于500mm。本工程墙肢可缩短区域位于主体中上部设置构造边缘构件的楼层，墙肢端头边缘构件长度均为400mm。当墙肢缩短长度不小于500mm时，可避免边缘构件钢筋向下延伸后与下层边缘构件钢筋重叠。
2） 每次缩短墙肢的层数不小于3层。通过计算可知，同面积的构造边缘构件配筋约为一般剪力墙配筋的2～3倍。当墙肢缩短时，边缘构件须向下延伸一层，同时墙肢缩短会引起框架梁的跨度及配筋加大，若缩短层数较少则综合考虑下并不经济。
根据以上两条原则，本工程将平面内部墙肢（图1中虚线框中的部分）根据轴压比情况分层缩短，每次的缩短量为500mm～700mm，缩短后的墙肢长度为1650mm，最小缩短层数为4层，自第15层开始缩短至顶层。墙肢缩短前与缩短后的模型计算结果对比如表1所示。
图1 标准层结构平面布置图
表1 墙肢缩短前后的模型计算结果对比
计算结果 墙肢缩短前 墙肢缩短后
周期（S） T1（s） 3.1936 3.2440
T2（s） 3.1523 3.1638
T3（s）（扭转周期） 2.0812 2.3413
T3/T1 0.65 0.72
X、Y向基底剪重比 经程序放大后均满足规范要求
X向有效质量系数 98.10% 97.97%
Y向有效质量系数 96.26% 95.98%
地震下X向最大位移角 1/1102 1/1088
地震下Y向最大位移角 1/1170 1/1070
风荷载下X向最大位移角 1/2783 1/2781
风荷载下Y向最大位移角 1/1208 1/1095
X向最大位移比 1.10 1.12
Y向最大位移比 1.24 1.27
由表1可见，墙肢缩短后，结构总体刚度略有减小、位移略有增大但仍能满足规范要求。这是由于缩短的墙肢均为结构中上部的内部墙肢，对结构整体刚度影响较小。此次单层墙肢缩短量约为墙肢总面积的13%，涉及层数为19层，最终含钢量可降低约0.5kg/m2。
3 边缘构件设计
分析概预算结果可知，在剪力墙配筋中，墙体配筋约占1/3，边缘构件配筋约占2/3，因此优化边缘构件配筋对控制总体含钢量的效果比优化墙体配筋更为明显。
3.1约束边缘构件的箍筋
约束边缘构件的箍筋面积由体积配箍率决定，在满足计算要求配箍面积的情况下，选择何种配筋形式也会影响最终的含钢量。 1） 施工中，边缘构件纵筋通常一层搭接一次，其中直径10的钢筋可采用绑扎，直径12～14的钢筋可采用焊接及绑扎，直径16及以上的钢筋可采用机械连接。根据《混凝土规范》11.1.8条，纵向钢筋搭接范围内箍筋间距不大于搭接钢筋最小直径的5倍。由此可见，选择箍筋组合时，在同等钢筋用量下应尽量选择细而密的组合如8@90，而不应选择粗而稀的组合如10@140。假设纵筋最小直径为10，按《混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》（12G901-1）65页图示要求，搭接方法为绑扎时竖向钢筋连接区长度为2.3llE，约1092mm[3]。普通剪力墙住宅层高为2.8～3.0米，此时约束边缘构件箍筋采用8@90比采用10@140每层楼的箍筋配筋量节省约23%。
2） 根据《高规》7.2.15条，约束边缘构件计算体积配箍率时可计入符合构造要求的水平分布钢筋，且计入的水平分布钢筋的体积配箍率不应大于总体积配箍率的30%。按《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》（11G101-1）72页图示要求，剪力墙水平钢筋计入约束边缘构件体积配箍率时，须在墙肢端头打弯钩住纵筋，并增加与水平筋同间距的拉筋形成闭合。由于水平筋间距与边缘构件箍筋间距不同，会导致局部钢筋间距过密而施工困难。通过将两种间距取为相同模数可缓解这一问题，但钢筋用量会相应增加。同时，因纵筋搭接区箍筋加密要求引起的箍筋增加量也较不计入水平分布筋时要多。综合考虑上述各种因素，计入水平分布筋后约束边缘构件箍筋的实际节省量约为该楼层箍筋配筋量的15%。
3.2边缘构件的设置间距
当剪力墙长度较短时（如翼缘位置），边缘构件间距离较小，是否就近合并为也会影响总体钢筋用量。将各种组合形式予以归纳后可知，对设置约束边缘构件的墙肢仅需考虑一种情况如图2（a）所示，对设置构造边缘构件的墙肢需考虑两种情况如图2（b）、（c）所示。以200mm墙厚、抗震等级二级、C40混凝土（约束边缘构件）为例，取构造配筋下最不利的墙体配筋（竖向分布筋10@200[4]，水平分布筋8@200），分别计算边缘构件合并前、后墙肢的钢筋总量，通过对比结论如下：
图2 边缘构件间间距示意图
1） 设置约束边缘构件的墙肢（图2（a））：如果水平分布钢筋计入体积配箍率，则边缘构件间距离不大于200mm时将相邻边缘构件合并得到的墙肢总含钢量较小；如果水平分布钢筋不计入体积配箍率，则边缘构件间距离不大于300mm时将相邻边缘构件合并得到的墙肢总含钢量较小。
2） 设置构造边缘构件的墙肢（图2（b）、（c））在两种情况下结论相同：边缘构件间距离不大于400mm时将相邻边缘构件合并得到的墙肢总含钢量较小。
3） 相邻边缘构件合并的方案与不合并的方案相比，墙肢含钢量总体节省比例约为5%～10%。
3.3扶壁柱的设置
根据《高规》7.1.6条规定，楼面梁与剪力墙平面外刚接时须设置扶壁柱或暗柱。暗柱高度同墙厚，宽度为梁宽加两倍墙厚；扶壁柱仅规定宽度不小于梁宽。以200mm厚墙、200mm宽梁为例，暗柱最小尺寸为600×200，扶壁柱最小尺寸为200×300。若以抗弯刚度相等为前提，扶壁柱可按T形设置，翼缘宽度为300即可。由此可见，同等条件下扶壁柱面积小于暗柱，考虑到《高规》中对两者的配筋率要求相同，扶壁柱含钢量较低。并且，扶壁柱因翼缘较短而不容易与墙内边缘构件重合，还因厚度较大可保证梁纵筋的锚固长度。综合看来，扶壁柱虽然会突出墙面，但具备诸多优点，应在建筑专业允许的情况下优先采用。
依据以上3条优化意见，本工程在施工图中对边缘构件进行了精细设计，最终含钢量可降低约0.5～1.0kg/m2。
4 成效及结论
剪力墙住宅的含钢量指标构成中，剪力墙配筋（包含墙体及边缘构件）占比最高。本工程在施工图阶段，从剪力墙长度及边缘构件构造入手，通过分层缩短平面内部墙肢并精细化设计边缘构件配筋，仅在剪力墙钢筋一项，就可将最终含钢量降低约1.0～1.5kg/m2，确保在施工图完成时含钢量指标能满足甲方要求。本文提出的几点建议同样适用于其他剪力墙结构住宅，具有一定的参考价值。
参考文献：
1.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.4.2.2条
2.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.7.1.8条
3.GB 50010-2010.混凝土结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2010.11.1.7条
4.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.7.2.19条
作者简介：杜磊，男，1981年生，东南大学硕士研究生，一级注册结构工程师，南京长江都市建筑设计股份有限公司，从事结构设计工作
【关键词】 剪力墙结构；含钢量；边缘构件；优化
随着国内房地产市场的不断发展，房地产开发企业的管理模式由粗放型管理向精细化管理转变，开发成本控制理所当然的成为了最重要的管理环节之一。可以看到，越来越多的开发企业采用对标管理作为设计环节成本控制的重要手段。就结构专业而言，含钢量是最主要的指标之一。实际工程设计中，控制含钢量的基本原则为，在满足结构计算结果的前提下仅按规范最低构造要求配置钢筋，从而达到降低含钢量的目的。考虑到规范条文以原则性的规定为主，对于剪力墙结构，即使墙体布置已确定，设计时仍存在一定的优化空间。
1 工程概况
本工程位于江苏省南京市河西地区，地上33层、地下2层的剪力墙结构住宅。结构高度（室外地坪至大屋面）99.700米，标准层层高3.000米。建筑设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，设计地震分组为第一组，场地土类别为III类，结构抗震等级为二级，基本风压为0.40kN/m2（结构高度>60米，承载力计算时按1.1倍采用[1]）。结构1～4层为底部加强区，1～5层设置约束边缘构件，6层及以上设置构造边缘构件并视为标准层。在方案设计中，优化墙肢布置后标准层结构平面布置如图1所示，布墙率（墙体面积占标准层结构面积的百分比）为4.86%，主要计算结果如表1所示，均位于规范限值附近。经概预算部门统计，此结构方案的地上部分含钢量为42.2kg/m2（含所有结构构件及非结构构件，并以结构面积计算），满足甲方对含钢量的要求。考虑到设计时须保留一定余量，以确保含钢量在施工图完成时仍能满足甲方要求，在结构布置不变的条件下，施工图中将从细节入手，进一步优化，降低含钢量。
分析概预算结果可知，在含钢量的总体构成中，95%来自结构构件配筋，约40kg/m2。在结构构件中，占比最高的为剪力墙配筋（包含墙体及边缘构件），约为总含钢量的47.5%即20kg/m2，其余梁、板、基础、楼梯合计约为总含钢量的47.5%即20kg/m2。由此可见，控制剪力墙配筋是最有效的降低含钢量的方法。
2 剪力墙长度优化
本工程结构布置平面中，两侧剪力墙对刚度的贡献较大，对总体位移指标起控制作用，其长度从上到下无法缩短。内部的剪力墙对刚度的贡献较小，其长度均为轴压比控制，可根据具体情况分层缩短。考虑到墙肢长度不大于其墙厚8倍时为短肢剪力墙[2]，配筋较一般剪力墙严格，墙肢长度最经济可缩短至1650mm（200mm厚墙肢）。单纯从剪力墙面积的角度考虑，采用每层缩短的方法可将墙肢面积做到最小，但过于频繁的缩短墙肢会带来施工的不便和钢筋的浪费。根据《建筑物抗震构造》（苏G02-2011）37页图示要求，墙肢缩短处边缘构件须向下延伸一层并在下方第二层锚固。由此规定可知，墙肢缩短时遵循以下两条原则可在控制含钢量的同时保证施工的便捷。
1） 每次缩短的墙肢长度不小于500mm。本工程墙肢可缩短区域位于主体中上部设置构造边缘构件的楼层，墙肢端头边缘构件长度均为400mm。当墙肢缩短长度不小于500mm时，可避免边缘构件钢筋向下延伸后与下层边缘构件钢筋重叠。
2） 每次缩短墙肢的层数不小于3层。通过计算可知，同面积的构造边缘构件配筋约为一般剪力墙配筋的2～3倍。当墙肢缩短时，边缘构件须向下延伸一层，同时墙肢缩短会引起框架梁的跨度及配筋加大，若缩短层数较少则综合考虑下并不经济。
根据以上两条原则，本工程将平面内部墙肢（图1中虚线框中的部分）根据轴压比情况分层缩短，每次的缩短量为500mm～700mm，缩短后的墙肢长度为1650mm，最小缩短层数为4层，自第15层开始缩短至顶层。墙肢缩短前与缩短后的模型计算结果对比如表1所示。
图1 标准层结构平面布置图
表1 墙肢缩短前后的模型计算结果对比
计算结果 墙肢缩短前 墙肢缩短后
周期（S） T1（s） 3.1936 3.2440
T2（s） 3.1523 3.1638
T3（s）（扭转周期） 2.0812 2.3413
T3/T1 0.65 0.72
X、Y向基底剪重比 经程序放大后均满足规范要求
X向有效质量系数 98.10% 97.97%
Y向有效质量系数 96.26% 95.98%
地震下X向最大位移角 1/1102 1/1088
地震下Y向最大位移角 1/1170 1/1070
风荷载下X向最大位移角 1/2783 1/2781
风荷载下Y向最大位移角 1/1208 1/1095
X向最大位移比 1.10 1.12
Y向最大位移比 1.24 1.27
由表1可见，墙肢缩短后，结构总体刚度略有减小、位移略有增大但仍能满足规范要求。这是由于缩短的墙肢均为结构中上部的内部墙肢，对结构整体刚度影响较小。此次单层墙肢缩短量约为墙肢总面积的13%，涉及层数为19层，最终含钢量可降低约0.5kg/m2。
3 边缘构件设计
分析概预算结果可知，在剪力墙配筋中，墙体配筋约占1/3，边缘构件配筋约占2/3，因此优化边缘构件配筋对控制总体含钢量的效果比优化墙体配筋更为明显。
3.1约束边缘构件的箍筋
约束边缘构件的箍筋面积由体积配箍率决定，在满足计算要求配箍面积的情况下，选择何种配筋形式也会影响最终的含钢量。 1） 施工中，边缘构件纵筋通常一层搭接一次，其中直径10的钢筋可采用绑扎，直径12～14的钢筋可采用焊接及绑扎，直径16及以上的钢筋可采用机械连接。根据《混凝土规范》11.1.8条，纵向钢筋搭接范围内箍筋间距不大于搭接钢筋最小直径的5倍。由此可见，选择箍筋组合时，在同等钢筋用量下应尽量选择细而密的组合如8@90，而不应选择粗而稀的组合如10@140。假设纵筋最小直径为10，按《混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图》（12G901-1）65页图示要求，搭接方法为绑扎时竖向钢筋连接区长度为2.3llE，约1092mm[3]。普通剪力墙住宅层高为2.8～3.0米，此时约束边缘构件箍筋采用8@90比采用10@140每层楼的箍筋配筋量节省约23%。
2） 根据《高规》7.2.15条，约束边缘构件计算体积配箍率时可计入符合构造要求的水平分布钢筋，且计入的水平分布钢筋的体积配箍率不应大于总体积配箍率的30%。按《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》（11G101-1）72页图示要求，剪力墙水平钢筋计入约束边缘构件体积配箍率时，须在墙肢端头打弯钩住纵筋，并增加与水平筋同间距的拉筋形成闭合。由于水平筋间距与边缘构件箍筋间距不同，会导致局部钢筋间距过密而施工困难。通过将两种间距取为相同模数可缓解这一问题，但钢筋用量会相应增加。同时，因纵筋搭接区箍筋加密要求引起的箍筋增加量也较不计入水平分布筋时要多。综合考虑上述各种因素，计入水平分布筋后约束边缘构件箍筋的实际节省量约为该楼层箍筋配筋量的15%。
3.2边缘构件的设置间距
当剪力墙长度较短时（如翼缘位置），边缘构件间距离较小，是否就近合并为也会影响总体钢筋用量。将各种组合形式予以归纳后可知，对设置约束边缘构件的墙肢仅需考虑一种情况如图2（a）所示，对设置构造边缘构件的墙肢需考虑两种情况如图2（b）、（c）所示。以200mm墙厚、抗震等级二级、C40混凝土（约束边缘构件）为例，取构造配筋下最不利的墙体配筋（竖向分布筋10@200[4]，水平分布筋8@200），分别计算边缘构件合并前、后墙肢的钢筋总量，通过对比结论如下：
图2 边缘构件间间距示意图
1） 设置约束边缘构件的墙肢（图2（a））：如果水平分布钢筋计入体积配箍率，则边缘构件间距离不大于200mm时将相邻边缘构件合并得到的墙肢总含钢量较小；如果水平分布钢筋不计入体积配箍率，则边缘构件间距离不大于300mm时将相邻边缘构件合并得到的墙肢总含钢量较小。
2） 设置构造边缘构件的墙肢（图2（b）、（c））在两种情况下结论相同：边缘构件间距离不大于400mm时将相邻边缘构件合并得到的墙肢总含钢量较小。
3） 相邻边缘构件合并的方案与不合并的方案相比，墙肢含钢量总体节省比例约为5%～10%。
3.3扶壁柱的设置
根据《高规》7.1.6条规定，楼面梁与剪力墙平面外刚接时须设置扶壁柱或暗柱。暗柱高度同墙厚，宽度为梁宽加两倍墙厚；扶壁柱仅规定宽度不小于梁宽。以200mm厚墙、200mm宽梁为例，暗柱最小尺寸为600×200，扶壁柱最小尺寸为200×300。若以抗弯刚度相等为前提，扶壁柱可按T形设置，翼缘宽度为300即可。由此可见，同等条件下扶壁柱面积小于暗柱，考虑到《高规》中对两者的配筋率要求相同，扶壁柱含钢量较低。并且，扶壁柱因翼缘较短而不容易与墙内边缘构件重合，还因厚度较大可保证梁纵筋的锚固长度。综合看来，扶壁柱虽然会突出墙面，但具备诸多优点，应在建筑专业允许的情况下优先采用。
依据以上3条优化意见，本工程在施工图中对边缘构件进行了精细设计，最终含钢量可降低约0.5～1.0kg/m2。
4 成效及结论
剪力墙住宅的含钢量指标构成中，剪力墙配筋（包含墙体及边缘构件）占比最高。本工程在施工图阶段，从剪力墙长度及边缘构件构造入手，通过分层缩短平面内部墙肢并精细化设计边缘构件配筋，仅在剪力墙钢筋一项，就可将最终含钢量降低约1.0～1.5kg/m2，确保在施工图完成时含钢量指标能满足甲方要求。本文提出的几点建议同样适用于其他剪力墙结构住宅，具有一定的参考价值。
参考文献：
1.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.4.2.2条
2.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.7.1.8条
3.GB 50010-2010.混凝土结构设计规范.北京：中国建筑工业出版社，2010.11.1.7条
4.JGJ 3-2010.高层建筑混凝土结构技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2010.7.2.19条
作者简介：杜磊，男，1981年生，东南大学硕士研究生，一级注册结构工程师，南京长江都市建筑设计股份有限公司，从事结构设计工作