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1、建筑结构优化设计建议 侯善民 2013 05 1 1 基础类型 天然地基基础 复合地基 天然地基 增加体 柔性桩 刚性桩 桩基 常规桩基后处理加强的后注浆钻孔灌注桩先处理加强的劲性复合予制静压桩 第一章基础 2 天然地基承载力不宜低于预期复合地基承载力的百分之四十 软土地基上采用复合地基要慎重 组成复合地基的增强体桩基 应具备一定刚度 并且不能是端承桩 随着复合地基承载力需求增大 增强体桩基的支承刚度与桩身强度 要求也需相应提高 对于20层 30层的高层建筑 不宜采用单纯摩阻桩 桩端进入较好的持力层 但持力层不宜是强风化以上的岩层 桩身强度承载力要满足计算 底板与桩基持力层选择需慎重 采用复合
2、地基应注意 第一章基础 3 南京某小区复合地基事故 该小区位于河西 七层砖混住宅 场地内有深厚的淤泥质软土层 增强体刚性桩未穿过软土层 施工也存在质量问题 建造过程中一直到结构封顶 沉降持续发展 最后采用锚杆静压桩 压入深层较好的土层 才控制住沉降 最近几年 我们做了一批20层 30层100米以内的高层剪力墙住宅 采用刚性桩复合地基都取得成功 例如 淮安恒大 淮安中南 合肥融侨等都是20万 30万 的高层住宅小区 天然地基承载力约在200kpa左右 采用予应力管桩作为增加体 复合地基承载力可达到500Kpa左右 第一章基础 4 第一章基础 复合地基基础设计举例 采用复合地基的设计 应与常规桩基
3、础设计方案作技术经济对比 当桩长不大 可沿剪力墙下条形布桩或在桩下布置独立桩承台 有可能桩基础更省造价 因为复合地基需要较厚的筏板 双层双向通长配筋 5 常规桩基设计单桩承载力应通过静载试桩确定 按地质勘察报告估算值仅可作为试桩加载参考用 试桩应要求做至GB50007附录Q 确定的单桩竖向极限承载力 试桩应要求试至 极限 第一章基础 6 单桩承载力估算方法 嵌岩灌注桩 可按JGJ94 2008第5 39方法与 南京地区建筑地基基础设计规范 DGJ32 J12 2005第9 2节嵌岩灌注桩单桩承载力计算方法进行计算 取较大值作为静载试桩加载准备 在砂土 粉土地基上对于用压入法施工的予制桩 单桩承
4、载力估算 可采用原位测试法 JGJ94 2008第5 3节 与经验参数法 JGJ94 2008第5 3节 计算取较大值作为静载试桩加载准备 对于抗拔桩 在砂性 粉土地基上的挤压方法施工予制桩 按地勘报告估算单桩承载力时 可按摩阻条数不折减 提供静载试桩 第一章基础 7 抗拔桩工程实例 南京南部新城医疗中心抗拔桩 初步设计拟采用直径1300钻孔灌桩 一柱一桩 Quk 12500KN 桩基方案论证时 提议改为每柱下3根直径为600的钻孔灌注桩 3根600的钻孔灌注桩对比1根直径1300的钻孔灌注桩 抗拔承载力提高38 工程量减少36 此外 底板配筋可以减少 抗浮工况下基础底板是倒楼盖 3桩承台面积
5、大于单桩承台 不论按等代框架计算或用有限元计算 柱帽 做大 可有效减小底板的计算配筋 抗拔桩设计应注意不要按抗压桩的设计思路 宜优先采用较小直径的桩分散布置 可节省桩基造价和底板材料用量 第一章基础 8 第一章基础 4抗压桩布桩实例 9 第一章基础 4抗压桩布桩实例 10 第一章基础 4抗压桩布桩实例 桩型方案比较 11 第一章基础 4抗压桩布桩实例 方案一 PHC600高强砼管桩 L 20m 进入10层粘土层约4m Ra 1600图中布n 96根实际需要n 122根 未考虑筏板重量 12 134根 12 第一章基础 4抗压桩布桩实例 方案二 CM复合桩M900 PHC500 L 14m 进入
6、9层细砂层约3 5m Ra 2400 n 81 13 第一章基础 4抗压桩布桩实例 方案三 D700钻孔灌注桩 L 32m 进入10层粘土层约16m 方案四 D700后注浆灌注桩 L 20m 进入10层粘土层约4m Ra 2500 n 83 14 第一章基础 4抗压桩布桩实例 15 第一章基础 4抗压桩布桩实例 D1500 L 80mRa 12300kN64根核心筒承载力不足 工程概况 吴江新苏中心 框架 核心筒结构 地上71层 总高239m 地下三层 标准组合 建筑总重259249T 核心筒总重10617T 16 第一章基础 4抗压桩布桩实例 D800 L 80mRa 7000kN 核心筒1
7、56根核心筒承载力满足 17 第一章基础 4抗压桩布桩实例 18 1 计算可按压弯构件考虑 2 当地下室土方开挖施工设有刚性防护桩时 土压力可取静止土压力 并乘以折减系数0 67 3 抗裂验算可取常水位 裂缝宽度验算公式中 混凝土保护层厚度 30mm时 可取30mm计算 4 墙顶与各层地下室楼板标高处可不设暗梁 一般情况下墙底亦可不设暗梁 第二章地下室外墙 19 七度抗震设防0 10g框剪结构水平结构构件 用钢量约占结构总用钢量50 以上 梁板是优化设计重点考虑的问题 第三章楼盖结构 1 梁楼面梁布置 当柱网为矩形时 短跨为主梁 长跨为次梁较合适 正方形柱网 楼面荷载大时 可考虑十字型或井字型
8、设次梁 20 第三章楼盖结构 南京天时大厦 框剪结构 26层 框架柱网7 5米x11米 短跨为主梁800 x500 大跨为次梁 截面400 x450 跨高比24 44 按有粘接部分预应力梁设计 最大限度的控制层高 适应了业主的需求 21 现浇板楼面 跨度小于 2 8m时 梁可取消 填充墙下加钢筋2 2或2 14 楼面梁应综合考虑在梁截面常规 跨高比 尺寸下 钢筋在经济配筋率范围内 矩形梁0 6 1 5 如果计算配筋都是构造配筋或大于1 5 时就需调整截面尺寸 十字梁 井字梁 双向传力 计算配筋往往很小 梁宽可考虑用200mm 第三章楼盖结构 22 第三章楼盖结构 附表1钢筋混凝土结构梁截面尺寸
9、 23 根据统计 在7度抗震区 高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中 剪力墙墙身用钢量约占45 65 剪力墙边缘构件用钢量约占30 50 如某工程 各类结构构件钢筋用量占总用钢量的比例如下 底部加强区 暗柱48 5 墙身18 2 墙总计66 7 梁21 8 板11 5 非加强区 暗柱32 7 墙身20 5 墙总计53 2 梁30 6 板16 2 从用钢量构成不难看出 剪力墙钢筋用量占总用钢量的份额较大 其中又以暗柱钢筋量最大 因此在设计中 设计人员应特别注意剪力墙的布置 减少不必要的暗柱设置 第四章剪力墙结构 24 第四章剪力墙结构 剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标 在设计中做好剪
10、力墙的布置 应采取以下措施 强周边 弱中部 多均匀长墙 少短墙 多L形 T形 十字形墙肢 少复杂形状 沿高度均匀变化 各墙肢轴压比接近 具体说明如下 4 1剪力墙布置原则 25 1 剪力墙布置的位置 宜在凸出部分的端部附近布置剪力墙 剪力墙不应设置在墙面开大洞的部位 当墙有洞口时 洞口宜上下对齐 剪力墙应双向布置 形成空间结构 特别是在抗震结构中 不允许单向布置剪力墙 并宜使两个方向刚度接近 剪力墙不宜布置太密 使结构具有较为适宜的侧向刚度 房屋纵 横 向区段较长时 纵 横 向剪力墙不宜布置在房屋的端开间 否则应采取措施以减少温度 收缩应力的影响 为避免施工困难 不宜在变形缝两侧同时设置剪力墙
11、 第四章剪力墙结构 4 1剪力墙布置原则 26 2 强周边 弱中部 宜布置在建筑物周边 充分发挥抗扭作用 必要时可利用房间窗台设置高连梁以加强刚度 在楼 电 梯间 平面形状变化及静载较大的部位应设置剪力墙 楼 电梯间等竖井的设置 宜尽量与其附近的框架或剪力墙的布置相结合 使之形成连续 完整的抗侧力结构 不宜孤立地布置在单片抗侧力结构或在柱网以外的中间部分 第四章剪力墙结构 4 1剪力墙布置原则 27 3 剪力墙的布置宜多均匀长墙 少短墙 要精心选择对结构承受水平及竖向荷载有利的隔墙位置设置剪力墙 尽量拉大剪力墙布置的间距 避免在较小的间距内布置多道剪力墙 由于墙间距的拉大 增加了建筑平面布置的
12、灵活性 设计中应体现使其结构竖向和水平向具有合理的刚度及承载力的分布 尽可能将剪力墙的墙肢截面高度 至少保证一肢 设计的比8倍墙厚稍大 符合一般剪力墙的要求 剪力墙也不必按开间布置 两间合并布置为大开间剪力墙也是不错的选择 第四章剪力墙结构 4 1剪力墙布置原则 28 4 多L形 T形 十字形墙肢 少复杂形状 在同样满足规范的各项指标的情况下 更能减轻结构自重 减少结构构件 有利于降低工程投资 根据工程经验 对于 L 形 T 形剪力墙 当一个方向的墙符合一般剪力墙要求时 另一个方向的墙肢不宜过短 较小的墙肢常常会出现较大的配筋 一般宜控制在1m左右 使墙端暗柱配筋接近构造配筋为宜 第四章剪力墙
13、结构 4 1剪力墙布置原则 29 第四章剪力墙结构 5 墙肢应沿高度均匀变化 不宜采取在上部为控制成本而减少剪力墙设置数量的设计方法 此做法会加大层刚度变化 不利于抗震 同时也不一定经济 宜在结构底部合理设置较厚的剪力墙 厚度随结构高度增加均匀变化 此做法还可以适应底部楼层层高较大的要求 避免为保证墙体稳定性人为增加墙厚的情况 4 1剪力墙布置原则 30 6 各墙肢轴压比宜接近 并尽量靠近相应结构抗震等级轴压比限值 实际工程设计中剪力墙截面可由轴压比控制 以保证剪力墙的延性 控制剪力墙在垂直重力荷载作用下的平均轴压比水平为0 5左右或适当从严 同时各片墙体的轴压比宜尽量均匀 这样可保证各层各片
14、绝大多数剪力墙都均匀受力 处于抗震构造配筋状态 在剪力墙中某些小墙段在垂直重力荷载作用下设计轴压比有可能大于0 6 但不宜大于0 8 此时与之相连的连梁刚度要适当加大 第四章剪力墙结构 4 1剪力墙布置原则 31 4 2剪力墙布置数量的控制 第四章剪力墙结构 同一建筑平面方案 当采用剪力墙结构体系时 不同的结构墙体布置其经济指标差异很大 主要是混凝土用量及含钢量差距很大 剪力墙布置数量是造成结果相差悬殊的主要原因 实际工程中剪力墙结构的刚度一般都偏大 周期越短 结构自重大 原因是剪力墙布置数量偏多 设计时控制其基本自振周期0 05n 0 08n n为结构总层数 较为适宜 剪力墙的布置数量还可以
15、用层间位移角指标来控制 純剪结构的层间位移角限值为1 1000 工程设计时要尽可能的接近这一数值 如果计算结果相差太多 如1 2000 说明剪力墙结构刚度较大 剪力墙布置数量太多 应适当减少墙体数量 32 4 2剪力墙布置数量的控制 第四章剪力墙结构 33 第四章剪力墙结构 34 第四章剪力墙结构 35 第四章剪力墙结构 优化后细部 优化前细部 36 第四章剪力墙结构 优化后细部 优化前细部 37 第四章剪力墙结构 优化后细部 优化前细部 38 第四章剪力墙结构 39 第四章剪力墙结构 40 第四章剪力墙结构 41 4 2剪力墙布置数量的控制 第四章剪力墙结构 42 4 3板 第四章剪力墙结构
16、 有关资料提出 现浇楼盖 板的混凝土量占整个楼面50 60 板厚大小对结构自重及楼盖经济性影响很大 20mm楼板自重占标准层总质量的3 3 约增加地震作用3 3 荷载增加 梁 墙 柱 基础均会加大 当板跨不大时 极配筋一般由最小配筋控制 因此 在满足楼屋盖刚度和构造要求的前提下尽量采用浇薄的板厚 一般情况下 板厚减少1cm可节约6元 的直接费 已故东大程文瀼老师提出按 最小板厚原则 布置楼盖结构 43 第四章剪力墙结构 当板面考虑温度变化和砼收缩应力或其它加强要求需贯通面筋时 不要简单地将支座钢筋的一半通长 宜用规定的最小配筋率 布置贯通钢筋 支座处再按计算附加支座短钢筋 现浇板宽度急剧变化处 大开洞消弱处等收缩应力集中处 钢筋应加强 双层双向 大跨度双向板 板底不同位置板底内力存在差异 可分板带分别配筋 4 3板 44 1 框架结构中柱的含钢量占结构总用钢量的15 30 梁用钢量一般占30 65 板用钢量15 25 框架结构优化重点在柱网优化 梁的配筋 第五章框架结构 2 框架柱按计算配筋时 加大角柱配筋可节省用钢量 例 500 500柱 计算配筋为1200 45 第五章框架结构 单
