影响项目钢筋含量及混凝土用量的因素.docx
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影响项目钢筋含量及混凝土用量的因素
影响项目钢筋含量及混凝土用量的因素
影响单个项目含钢量及混凝土用量的因素有多个方面,没有唯一的判断标准,包括建筑方案、荷载情况、结构体系、地质情况及基础方案、计算方法的选用、高强材料的应用、习惯构造做法等是其中的最主要因素。
一、建筑方案
1、平面长度尺寸
当结构单元长度超过规范应设置伸缩缝的间距时,成为超长建筑。
一般情况下,地下室及上部结构的长度超过规范设置伸缩缝的要求,但考虑到永久分缝会给建筑功能及建筑维护带来不利的影响,设计时通过适宜的结构措施(设置预应力钢筋、采用微膨胀混凝土、设置后浇带、加强板配筋等)、建筑措施(顶层及外墙加强保温和隔热措施等)及施工措施,地下室及上部结构可以考虑不设永久缝。
但是,超长建筑由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力,相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力,其单位面积用钢量显然要多些。
2、平面长宽比
一般的,平面长宽比较大的建筑物,不论其是否超长,由于两主轴方向的动力特性(也即整体刚度)相差甚远,在水平作用(风荷载或地震作用)下,两主轴方向构件受力的不均匀性容易造成建筑物的扭转,为了防止建筑产生扭转破坏,使得其单位面积用钢量相对于平面长宽比接近1.0的建筑物要多。
特别对抗震设防的高层建筑,当设防烈度为6、7度时结构单元长度和宽度比值不宜大于6,当设防烈度为8、9度时结构单元长度和宽度比值不宜大于5。
3、竖向高宽比
高层建筑的高宽比,是对结构刚度、整体稳定、整体倾覆、承载能力和经济合理性的宏观控制,不是强条或必须遵守。
超过《高规》第4.2.3条规定数值就必须付出比常规更大的结构造价。
针对高层建筑而言,高宽比大的建筑其结构整体稳定性不如高宽比小的建筑,为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移,势必要设置较刚强的抗侧力构件来提高结构的侧向刚度,这类构件的增多自然使得用钢量增多。
4、立面形状
高层建筑的竖向体型宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收。
结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向布置严重不规则的结构。
避免竖向抗侧力构件不连续和楼层承载力突变。
竖向体型的规则性和均匀性,主要指外挑或内收程度以及竖向刚度有否突变等。
如侧向刚度从下到上逐渐均匀变化,则其用钢量就较少,否则将增多,较典型的有竖向刚度突变的设置结构转换层的高层建筑。
建筑外立面宜简洁,如过多装饰线条或装饰构架,一方面增加结构的荷载,另一方面造成连接的复杂。
这两者都会引起结构含钢量的增加。
5、平面形状
平面宜简单、规则、对称,减少偏心;平面长度不宜过大,突出部分长度不宜过大;不宜采用角部重叠的平面图形或细腰平面图形。
避免扭转不规则和狭长、凹凸不规则。
平面凹凸较大或偏心较多的建筑,除了建筑物周长的增加引起材料的耗费外,在水平荷载尤其是地震荷载的作用下,容易由于扭转造成脆性破坏,为此也需付出增加含钢量的代价。
若平面较规则、凹凸少则用钢量就少,反之则较多,每层面积相同或相近而外墙长度越大的建筑,其用钢量也就越多,平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少,而且还可衡量结构抗震性能的优劣,从这点上分析得知用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。
规范对建筑平面不规则的超限条件也作出了具体规定。
一般情况下,对抗震设防的高层建筑,当设防烈度为6、7度时平面突出部分长度不宜大于平面宽度的0.35,突出部分长宽比不宜大于2,当设防烈度为8、9度时平面突出部分长度不宜大于平面宽度的0.3,突出部分长宽比不宜大于1.5;另外,楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半;楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的30%;在扣除凹入或开洞后,楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于5m,且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于2m,避免楼板局部不连续。
二、结构体系
建筑物的总体结构体系可划分为两类分体系:
竖向和水平分体系。
水平结构必须由竖向结构支撑。
与建筑物的总高度相比,竖向分体系在一个方向或两个方向的尺寸通常是不大的,因此它们本身不稳定,必须由水平结构来保持其稳定位置。
1、竖向分体系
多层和高层建筑抗侧力体系在不断的发展和改进,建筑高度也不断增高。
现在,多层和高层建筑结构体系大约可分为四大类型:
框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构和筒体结构,各有不同的适用高度和优缺点。
框架、剪力墙、框架-剪力墙结构体系是多层及高层建筑中传统的、广为应用的抗侧力体系,对于住宅建筑较少使用筒体结构。
1框架结构体系
当采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构,并同时承受水平荷载时,称其为框架结构体系。
框架结构的抗侧刚度较小,水平位移大,适用于多层及高度不大的高层建筑。
框架结构的优点是建筑平面布置灵活。
2剪力墙结构体系
利用建筑物的墙体作为竖向承重和抗侧力的结构,称为剪力墙结构体系。
墙体同时也作为维护及房间分隔构件。
剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制,一般为3~8m。
现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好,刚度大,在水平力作用下侧向变形很小。
墙体截面积大,承载力要求也比较容易满足。
剪力墙的抗震性能也较好,但自重较大,增加了基础工程的投资。
采用剪力墙体系,可以避免结构竖向构件在室内凸出,少占建筑空间,改善建筑观感,还能为建筑设计及使用功能带来很大的灵活性和方便性。
剪力墙布置方式不同,对结构的抗震性能和结构造价有着很大的影响。
墙率指楼层剪力墙截面面积与楼层面积的比值,对结构刚度影响最为显著。
为了减轻自重和充分利用剪力墙的承载力和刚度,剪力墙的间距要尽可能做大些,如做成6m左右。
当把墙的底层做成框架柱时,称为框支剪力墙。
底层柱的刚度小,形成上下刚度突变,在地震作用下底层柱会产生很大内力及塑性变形,致使结构破坏。
为了满足地震区住宅建筑需要底层商场等大开间的需要,可做成部分剪力墙框支、部分剪力墙落地的底层大空间剪力墙结构。
3框架-剪力墙结构体系
框架结构侧向刚度差,抵抗水平荷载能力较低,地震作用下变形大,但它具有平面灵活,有较大空间、立面处理易于变化等特点。
而剪力墙结构则相反,抗侧力刚度、强度大,但显示了使用空间。
把两者结合起来,取长补短,在框架中设置一些剪力墙,就成了框架-剪力墙体系。
采用什么结构体系对于工程造价关系重大,能做落地剪力墙的就不做框支转换层,能使短肢剪力墙减少就尽量减少。
高层住宅的每个单元,通常是利用楼梯、电梯及竖向管道井部位设置较多的剪力墙,形成相对完整的筒体。
剪力墙的特点是平面内刚度和承载能力较大,而平面外刚度和承载能力相对很小,因而应尽量避免剪力墙平面外的弯矩。
楼面梁不宜单侧垂直搁置于一字形剪力墙上。
当剪力墙墙肢与其平面外方向的楼面梁连接时,应按规范要求采取措施。
在高层剪力墙结构中,剪力墙的数量既不能过多,也不能过少。
如果剪力墙的数量太多,就会使结构的刚度和重量都增大,这样不仅材料用量增加,而且地震力也增大;反之,墙体数量过少,结构的变形过大,非结构构件容易损坏。
所以,剪力墙的数量应合理确定。
大开间剪力墙结构与小开间剪力墙结构相比,结构性能和经济指标都更合理。
因此,在高层住宅的结构方案选择中,应优先考虑这种结构型式。
在满足规范限值要求的前提下,通过调整结构的墙率、侧向刚度、扭转变形等指标实现。
2、水平分体系
在多层与高层建筑中,选择合理的楼盖体系不仅可改善整个结构的力学性能,还可降低造价。
这是基于以下原因:
1)在多层与高层建筑中,各竖向抗侧力结构靠楼盖体系连接成为能共同工作的整体以抵抗水平力;2)楼盖结构多次重复使用,其累计质量占建筑总质量的很大比例。
降低楼盖质量,可大幅度减轻建筑总质量,从而减轻地震作用;同时,还可降低墙、柱及基础的造价;3)降低楼盖体系自身高度,不仅可降低层高,节约建筑空间,还可降低围护结构、管线材料及施工机具的费用。
因此,对于多层尤其是高层建筑而言,应选择整体性好、刚度大、质量轻、高度小、满足使用要求并便于施工的楼盖体系。
目前常见的钢筋混凝土楼盖体系主要有如有几种:
⑴普通钢筋混凝土梁板楼盖
普通钢筋混凝土主次梁结构传力路径明确,楼面的梁可根据使用功能灵活布置,具有自重轻、楼面刚度大的优点。
主梁与柱形成框架,具有良好的延性,可作为抵抗风荷载和地震作用的抗侧力体系。
施工简单,是目前使用最广泛的一种楼盖结构形式。
⑵钢筋混凝土无梁楼盖
无梁楼盖的荷载直接由板传至柱,因为没有梁,结构高度减小,可使用的空间增加。
其优点是可以减小层高,在结构总高度不变的情况下可增加楼层数量,提高项目的经济效益;缺点是楼面开洞不灵活,楼盖自重大、材料使用增多,抗震性能差,在地震区的应用受到一定限制。
⑶预应力混凝土无梁楼盖
预应力混凝土结构是在普通钢筋混凝土结构的基础上发展起来的一种高效的结构形式。
通过对普通混凝土构件施加预应力,可改善其挠度和裂缝,从而达到减少构件截面尺寸、增加使用空间的目的。
相应地,由于上述原因,它的楼面刚度比普通钢筋混凝土结构小,且增加了一个施加预应力的工序,施工工期相对延长;预应力钢筋作为重要的受力部件受到保护,楼板不允许随意开洞,因而楼面的改造能力差。
3、实例分析1
F型建筑单体,10层,层高3m,建筑高度30m。
a)剪力墙结构
b)异形柱框架-剪力墙结构
图3.2.1 F型建筑单体结构平面简图
6度抗震设防,基本风压0.30kN/m2,剪力墙结构,一般剪力墙抗震等级四级,短肢剪力墙抗震等级三级。
异形柱框架-剪力墙结构,框架抗震等级四级,剪力墙抗震等级三级。
表3.2.1 F型结构周期信息
结构类型
振型号
周期
平动系数
周期比Tt/T1
短肢剪力墙
1
1.1164
0.89
0.88
2
1.1006
0.99
3
0.9828
0.12
异形柱框架-剪力墙
1
1.3492
0.66
0.8
2
1.3083
0.99
3
1.0728
0.35
表3.2.2 F型位移计算结果
结构类型
地震作用下楼层最大位移
风荷载作用下楼层最大位移
最大层间位移与平均层间位移的比值
X方向
Y方向
X方向
Y方向
短肢剪力墙
1/3293
1/2859
1/9231
1/4666
1.41
异形柱框架-剪力墙
1/2813
1/2657
1/6301
1/3440
1.32
表3.2.3 F型建筑单体结构体系钢筋及混凝土用量统计
短肢剪力墙
异形柱框架-剪力墙
钢筋
单方
含量
(kg/m2)
梁
9.11
12.60
柱
—
1.90
墙
13.89
7.65
板
9.46
9.34
合计
32.45
31.49
混凝土(m3/m2)
0.229
0.211
短肢剪力墙结构刚度较大,钢筋及混凝土用量也相应较多。
在满足规范限定指标的情况下,选择刚度相对较小的异形柱框架-剪力墙结构体系,能够减轻结构自重,减少地震作用,含钢量减少了3.0%,混凝土单方含量减少了7.9%。
3、实例分析2
花都祥荷项目,B1及B2型建筑单体,9层,层高3.15m,6度抗震设防,基本风压0.50kN/m2。
剪力墙结构,一般剪力墙抗震等级四级,短肢剪力墙抗震等级三级。
异形柱框架-剪力墙结构,框架抗震等级四级,剪力墙抗震等级三级。
框架结构,框架抗震等级四级。
a)剪力墙结构
b)异形柱框架-剪力墙结构
c)框架结构
图3.2.2 B1型建筑单体结构平面简图
a)剪力墙结构
b)异形柱框架-剪力墙结构
c)框架结构
图3.2.3 B2型建筑单体结构平面简图
表3.2.4 B1型结构周期信息
结构类型
振型号
周期
平动系数
周期比Tt/T1
短肢剪力墙
1
1.1877
0.77
0.78
2
1.0050
0.87
3
0.9215
0.36
异形柱框架-剪力墙
1
1.1501
0.68
0.77
2
1.0107
0.90
3
0.8895
0.43
框架
1
1.9722
1.00
0.75
2
1.6527
0.51
3
1.4851
0.49
表3.2.5 B2型结构周期信息
结构类型
振型号
周期
平动系数
周期比Tt/T1
短肢剪力墙
1
1.2825
0.69
0.79
2
1.1042
1.00
3
1.0175
0.31
异形柱框架-剪力墙
1
1.2280
0.63
0.8
2
1.0757
1.00
3
0.9869
0.37
框架
1
1.9722
1.00
0.75
2
1.6527
0.51
3
1.4851
0.49
表3.2.6 B1型位移计算结果
结构类型
地震作用下楼层最大位移
风荷载作用下楼层最大位移
最大层间位移与平均层间位移的比值
X方向
Y方向
X方向
Y方向
短肢剪力墙
1/3293
1/3229
1/3312
1/2351
1.4
异形柱框架-剪力墙
1/2593
1/2571
1/3682
1/2243
1.37
框架
1/1351
1/1550
1/1134
1/1047
1.27
表3.2.7 B2型位移计算结果
结构类型
地震作用下楼层最大位移
风荷载作用下楼层最大位移
最大层间位移与平均层间位移的比值
X方向
Y方向
X方向
Y方向
短肢剪力墙
1/2744
1/3461
1/2584
1/2367
1.37
异形柱框架-剪力墙
1/2410
1/2793
1/2896
1/2509
1.36
框架
1/1404
1/1912
1/1217
1/1158
1.48
表3.2.8 B1及B2型结构体系钢筋及混凝土用量统计
类别
B1型
B2型
短肢
剪力墙
异形柱框架-
剪力墙
框架
短肢
剪力墙
异形柱框架-
剪力墙
框架
钢筋
单方
含量
(kg/m2)
梁
11.82
11.84
17.15
11.69
11.32
15.03
柱
—
6.23
6.98
—
7.31
6.73
墙
16.04
8.73
—
14.68
5.63
—
板
9.22
9.16
9.16
8.70
8.57
8.09
合计
37.07
35.96
33.29
35.07
32.83
29.85
混凝土(m3/m2)
0.258
0.250
0.205
0.245
0.241
0.203
采用短肢剪力墙、异形柱框架-剪力墙及框架结构体系,结构指标均能够满足规范要求。
框架结构刚度最小,钢筋及混凝土用量最少。
短肢剪力墙到异形柱框架-剪力墙,重新调整了结构布置方案,修改计算模型,住宅功能不受影响。
在满足规范限定指标的情况下,选择刚度相对较小的框架结构体系,能够减轻结构自重,减少地震作用,含钢量减少10.2~14.9%,混凝土单方含量减少17.1~20.5%。
采用框架结构,房间会出现凸出的框架柱,如果建筑专业能够处理好填充墙与框架柱的关系,避免对使用的影响,对于多层及中高层住宅,框架结构是比较合适的结构体系。
当框架柱对建筑功能使用影响较大时,可以采用异形柱框架结构。
由于异形柱框架结构使用的房屋最大高度明显小于普通框架结构,需要在平面中增加一般剪力墙,形成抗侧刚度较大的异形柱框架-剪力墙结构体系。
与短肢剪力墙结构体系相比,含钢量减少3.0~6.4%,混凝土单方含量减少1.6~3.1%。
不同的建模方式对应不同的计算模型,不同的计算模型对应不同的设计原则和设计参数,设计人员在选择建模方式时,应根据工程的实际情况选取。
三、基础方案
当场地地质条件较好时,其基础用钢量就较少,相反则较多。
建筑场地土质差,浅层土承载力低,持力层埋深大,需要采用桩基础或很厚的钢筋混凝土筏形基础,含钢量较大。
一般来说,钢筋混凝土基础(包括混凝土桩)的配筋率并不高,但因其工程量大,耗用的钢筋总量仍是巨大的。
所以对基础采取什么形式,必须反复权衡,能用浅基础时就不要用桩基,采用桩基时求短不求长,灌注桩配筋又有通长和二分之一、三分之一桩长的节省办法。
此外,采用加固软土地基新技术可以避免使用钢筋混凝土桩,而进行桩-土复合基础的设计,则可减少桩的数量或桩长。
为了保证高层建筑的整体稳定性,减轻地震作用对结构的损坏和破坏,规范中对高层建筑的基础埋深有一定的要求(天然地基为H/15,桩基础为H/18,其中H为房屋高度)。
在总高度及基础型式相同条件下,基础埋深对高宽比较大者应抓紧,相反则可放宽;对地下室面积仅是塔楼投影面积者应抓紧,相反有裙房且地下室面积远大于塔楼投影面积者则可放宽。
多高层住宅结构基础设计中常见的要点如下:
多高层建筑地下室外墙,混凝土强度等级宜采用C30,有利于裂缝控制;外墙上部首层柱的混凝土强度即便为C60,因为柱在地下室已与外墙形成T形柱,可使柱的轴压比远小于限值要求,可按T形截面偏心受压计算配筋。
无上部结构柱相连的地下室外墙,如地下车库外墙,支承顶板梁处不宜设附壁柱,因为附壁柱使得此处墙为变截面,易产生收缩裂缝。
不设附壁柱顶板梁在墙上按铰接考虑,此处墙无需设暗柱。
地下室内外墙除了上部为框剪结构或外框架-内核心筒结构的剪力墙延伸者外,在楼层不需要设置暗梁,所有剪力墙在基础底板均不需要设置暗梁。
位于电梯井筒区域的承台,由于电梯基坑和集水井深度的要求,常常需要局部下沉,按照常规做法,处于该区域的承台应局部降低,若该联合承台面积较小,可采用改进措施,即将整个承台均下降,承台顶面标高降低至电梯基坑顶面。
该做法不仅避免了常规做法构造和施工复杂的缺点,而且不存在局部承台较厚,需要配置较大规格钢筋的不利局面。
但对于承台面积较大的情况,仍建议按照常规方法设计。
消防电梯的集水井应与建筑专业协调,尽量将其移至承台以外的区域,通过预埋管道连通基坑和集水井,按此方法处理,可大大简化承台设计和施工难度。
类似的设计方法可在设计中灵活采用,不仅节省钢筋,还减少混凝土用量。
基础厚板的中间没有必要配置一层钢筋网。
四、荷载取值
建筑结构在使用和施工过程中所受到的各种直接作用称为荷载。
另外,还有一些能使结构产生内力和变形的间接作用,如温度变化、地基变形或地震等引起的作用。
本节所指的荷载作用包括直接作用及间接作用。
结构设计人员在进行建筑结构设计时,首先应进行荷载的计算,取其代表值,荷载确定后,才能根据其大小和作用形式计算结构的内力,然后再进行构件计算。
因此不言而喻,荷载取值是否正确、合理,直接关系到整个工程的含钢量是否正常。
1、恒、活载
建筑的自重荷载、楼(屋)面活荷载及屋面雪荷载应按现行国家标准《建筑结构荷载规范(2006年版)》(GB50009-2001)和《全国民用建筑工程设计技术措施/结构/结构体系(2009年版)》取值,不应随意加大。
附加恒荷载应按建筑大样详细计算,楼(屋)面活荷载的取值,对于一些特殊功能的建筑,比如商住楼的裙楼作为大型超市,已经不属于规范所列的商店范畴,大型超市形式灵活,功能齐全,商品和人员的流通量比较大,如果活荷载仍取值3.5kN/m2,将不能满足超市正常的经营。
这种情况下,应会同甲方共同测算活荷载的取值。
其它诸如地下室车道、自动扶梯、设备机房、室外地下室顶板和屋面花园的覆土厚度、游泳池的水深等,当有特殊使用要求时,需要提供取值依据。
多高层住宅结构设计中荷载取值常见的要点如下:
对于《建筑结构荷载规范(2006年版)》(GB50009-2001)第4.1.2条可折减的项目,应按所列系数折减。
消防车的荷载取值应区分用于主梁、次梁和楼板的计算。
区分恒荷载和活荷载,活荷载分项系数大。
例如厨房、卫生间的填充、隔断材料按恒荷载输入计算。
填充墙开窗门洞处,应尽量精确选取线恒载,不得随意加大。
尽量采用轻质材料,减轻结构自重。
高层建筑室内填充墙宜采用各类轻质隔墙。
在高层住宅建筑中采用轻质石膏板内隔墙体系,主要的土建结构造价(包括楼板、外墙、内墙、梁、基础结构体系等)比传统砖石混凝土体系的土建结构造价降低10%,建筑工程的总造价降低4.27%。
而GRC(玻璃纤维增强水泥的简称)轻质墙板容重为6.0kN/m3,仅相当于同厚度粘土砖砌体面密度的1/3,大大减少了结构荷载,降低了整个建筑梁、柱及基础的截面积和含钢量。
地下水的设防水位应取建筑物设计使用年限内(包括施工期)可能产生的最高水位。
如果岩土工程勘察报告中没有提供地下水的最高水位时,地下水设防水位可取建筑物的室外地坪标高。
当设置地下车库时,设防水位可以取首层车道入口处的标高。
2、风荷载和地震作用
建筑单体所在地区的抗震设防烈度、风荷载按照规范要求确定。
设防烈度越高,含钢量越大;风荷载越大,含钢量也相应增加。
通过岩土工程勘察,取得地质资料,为工程设计提供依据。
建筑含钢量存在地区之间的差异,控制含钢量必须结合区域实际情况,在满足宏观环境要求的前提下进行。
比较建筑含钢量应在相等或相近的自然条件下进行,否则将无法得出准确答案。
结构承载力计算时,基本风压应按现行国家标准《建筑结构荷载规范(2006年版)》(GB50009-2001)的规定采用,基本风压的重现期与设计使用年限应一致。
但安全等级为一级或高度超过60m的高层建筑,其基本风压应按100年重现期的风压值采用。
抗震设防的所有建筑应按现行国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223确定其抗震设防类别及其抗震设防标准。
结构承载力计算时,按照现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的规定采用。
建筑结构的最大高度和高宽比区分为A级和B级高度,尽量满足A级高度。
框架结构高度尽量控制在30米,超出时必须提高结构抗震等级。
框架-剪力墙结构高度尽量控制在60米,超出时框架必须提高结构抗震等级。
剪力墙结构和框支剪力墙结构高度尽量控制在80米,超出时必须提高结构抗震等级。
尽量避免采用短肢剪力墙和异型柱,其抗震等级比普通剪力墙和矩形柱严格。
3、实例分析1
H型建筑单体,10层,建筑高度30m,6度抗震设防,剪力墙结构。
表3.4.1 H型建筑单体填充墙材料变化钢筋及混凝土用量统计
类别
轻质填充墙
容重(11kN/m3)
灰砂砖填充墙
容重19kN/m3)
钢筋
单方
含量
(kg/m2)
梁
9.20
9.59
墙
16.91
16.91
板
8.14
8.14
合计
34.24
34.63
混凝土(m3/m2)
0.246
0.246
翠城花园17栋,26层,建筑高度74.36m,7度抗震设防,剪力墙结构。
表3.4.2 翠城花园17栋填充墙材料变化钢筋及混凝土用量统计
类别
轻质填充墙
容重(11kN/m3)
灰砂砖填充墙
容重(19kN/m3)
标准层
钢筋单方含量
(kg/m2)
梁
12.66
14.27
柱
0.22
0.23
墙
21.11
21.14
板
8.44
8.44
合计
42.44
44.08
混凝土(m3/m2)
0.287
0.287
填充墙由轻质砌块改为灰砂砖,H型建筑单体底层剪力墙轴压比增加13~19%,翠城花园17栋底层剪力墙轴压比增加8~12%,均能