小高層住宅鋼筋混凝土設(shè)計(jì)策略

邵正標(biāo)

摘要：隨著一些城市開(kāi)始禁止使用實(shí)心粘土磚砌體作為承重結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在多層住宅中也開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用，其中以矩形柱框架、異形柱框架和短肢剪力墻結(jié)構(gòu)為常見(jiàn)。文章對(duì)小高層住宅鋼筋混凝土矩形柱框架、異形柱框架、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了相關(guān)探索。

關(guān)鍵詞：小高層住宅；鋼筋混凝土；框架結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN929文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2009）02-0155-02

一、引言

20世紀(jì)90年代以后，隨著我國(guó)鋼材量的不斷提高，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)得到了迅速發(fā)展，隨著建筑造型和建筑功能要求日趨多樣化，無(wú)論是工業(yè)建筑還是住宅，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的各種難題也日益增多，因而作為一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者需要在遵循各種規(guī)范下大膽靈活的解決一些結(jié)構(gòu)方案上的難點(diǎn)、重點(diǎn)。

二、小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本形式

（一）框架一剪力墻結(jié)構(gòu)

在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻就組成了框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。它是小高層住宅中應(yīng)用比較廣泛的一種主體結(jié)構(gòu)型式。其特點(diǎn)是平面靈活，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，能使框架、剪力墻兩種有不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同發(fā)揮作用。

（二）大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)

隨著時(shí)代的發(fā)展和人們生活水平的提高，原來(lái)建造的小開(kāi)間剪力墻體系住宅在建筑功能上的局限性變得日益明顯。從強(qiáng)度方面看，小開(kāi)間結(jié)構(gòu)中墻體的作用不能得到充分的發(fā)揮，并且過(guò)多的剪力墻布置還會(huì)導(dǎo)致較大的地震力，增加工程費(fèi)用，另外，由于結(jié)構(gòu)自重較大，也增加了基礎(chǔ)的投資，因此，大開(kāi)間剪力墻應(yīng)運(yùn)而生。

承重墻的開(kāi)間達(dá)到4.5m~7.5m，進(jìn)深達(dá)到7.5m~11m，室內(nèi)一般無(wú)承重的橫墻和縱墻，可以按照住戶的不同要求靈活分隔，隨著家庭的變化還可重新布置。

（三）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

短肢剪力墻（墻肢截面高度與厚度之比為5~8的剪力墻）介乎于異形框架柱和一般剪力墻之間，由于這種結(jié)構(gòu)體系在建筑功能、結(jié)構(gòu)形式、投資效益、節(jié)能指標(biāo)等多方面效果良好，已成小高層住宅的主要結(jié)構(gòu)形式。

三、小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

（一）水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素

在低層住宅中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；而在小高層住宅中，盡管豎向荷載仍對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對(duì)某一特定建筑來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值；而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

（二）軸向變形不容忽視

對(duì)于采用框架體系或框架一剪力墻體系的小高層住宅，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，此種差異軸向變形將會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座產(chǎn)生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。

（三）側(cè)移成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)

與低層住宅不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移一般與房屋高度H的四次方成正比。在設(shè)計(jì)小高層住宅時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，而且還要有足夠的抗側(cè)移剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移控制在一定的范圍內(nèi)。這是因?yàn)椋海?）過(guò)大的側(cè)移會(huì)使人不舒服，影響房屋的正常使用。（2）過(guò)大的側(cè)移會(huì)使隔墻、圍護(hù)墻以及它們的高級(jí)飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會(huì)使電梯軌道變形而導(dǎo)致不能正常運(yùn)行。（3）過(guò)大的側(cè)移會(huì)因P-△效應(yīng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至因側(cè)移與附加內(nèi)力的惡性循環(huán)導(dǎo)致建筑物的倒塌。

（四）結(jié)構(gòu)延性是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)

相對(duì)于低層住宅而言，小高層住宅更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

四、小高層住宅鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)策

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

當(dāng)前，在無(wú)成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析軟件的情況下，主要是應(yīng)用小高層住宅結(jié)構(gòu)分析軟件，采用人工分析進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的方法對(duì)不同的結(jié)構(gòu)選型和布置不斷地進(jìn)行方案分析比較，以獲得比較理想的結(jié)構(gòu)方案，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常用的也是最簡(jiǎn)單的優(yōu)選或者說(shuō)是優(yōu)化方法。用概念設(shè)計(jì)的方法所得的方案是較合理、經(jīng)濟(jì)的，雖其費(fèi)工費(fèi)時(shí)、對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)要求較高，但這種依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工優(yōu)化的方法仍是當(dāng)前所普遍采用的主要方法。對(duì)于同一小高層住宅方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）布置方案；確定了結(jié)構(gòu)布置的小高層住宅物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過(guò)程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的；小高層住宅物細(xì)部的處理更是不盡相同等等，這些問(wèn)題目前計(jì)算機(jī)是無(wú)法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己做出判斷。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說(shuō)的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過(guò)程中。

（二）小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本形式經(jīng)濟(jì)性分析

我們通過(guò)對(duì)三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)直接費(fèi)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)單位面積直接費(fèi)相差不是很多，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)最大，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)最小，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)比框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)高出12.5%，比大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)高出7.3%，大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)比框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)高出4.9%。三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)的次要項(xiàng)目造價(jià)基本相同。單位面積造價(jià)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的最小，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的次之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的稍微較大，三種結(jié)構(gòu)體系直接費(fèi)最大相差不到45元/m2元。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平進(jìn)一步提高，用戶對(duì)住宅的功能提出更高的要求，人們希望建筑物在使用過(guò)程中具有更大的靈活性，能夠適應(yīng)多功能變換的需求。因此，設(shè)計(jì)單位在拿到開(kāi)發(fā)單位的設(shè)計(jì)意圖后，應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)美觀，安全適用的原則多為社會(huì)設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。

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