小高層住宅鋼筋混凝土框架結構設計

正陽建工建筑工程有限公司 葉海峰

小高層住宅鋼筋混凝土框架結構設計

正陽建工建筑工程有限公司 葉海峰

隨著社會經濟的繁榮，我國小高層建筑發(fā)展迅速，結構體系日趨多樣化，設計思想也在不斷更新，小高層鋼筋混凝土框架結構越來越廣泛應用于建筑中，小高層鋼筋混凝土框架結構設計有著光明的應用前景。

一、小高層鋼筋混凝土結構住宅的基本結構形式

1．框架結構。框架結構的特點是開間大、靈活性好、抗震性能較好，造價較低，但由于柱截面大于隔墻厚度而造成柱角外凸，影響家具的布置和美觀，有時由于住宅中房間分隔的不規(guī)則性又造成柱網的難以布置。

2．框架——剪力墻結構。在框架結構中布置一定數量的剪力墻就組成了框架——剪力墻結構。它是小高層住宅中應用比較廣泛的一種主體結構。其特點是平面靈活，適用性強，結構合理，能使框架、剪力墻兩種有不同變形性能的抗側力結構很好地協(xié)同發(fā)揮作用。

3．大開間剪力墻結構。隨著時代的發(fā)展和人們生活水平的提高，原來建造的小開間剪力墻體系住宅在建筑功能上的局限性變得日益明顯。從強度方面看，小開間結構中墻體的作用不能得到充分發(fā)揮，并且過多的剪力墻布置還會導致較大的地震力，增加工程費用，另外，由于結構自重較大，也增加了基礎投資，因此，大開間剪力墻應運而生。

4．短肢剪力墻結構。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，由于這種結構體系在建筑功能、結構形式、投資效益、節(jié)能指標等多方面效果良好，己成小高層住宅的主要結構形式。

二、 小高層住宅鋼筋混凝土結構設計的要點

1．水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結構設計的控制因素。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構設計；而在小高層住宅中，盡管豎向荷載仍對鋼筋混凝土結構設計產生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對某一特定建筑來說，豎向荷載大體上是定值；而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數值是隨動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2．軸向變形不容忽視。對于采用框架體系或框架——剪力墻體系的小高層住宅，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種差異軸向變形將會達到很大的數值，其后果相當于連續(xù)梁中間支座產生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。

3．側移成為鋼筋混凝土結構設計的控制指標。與低層住宅不同，結構側移已成為小高層住宅鋼筋混凝土結構設計的關鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，結構的頂點側移一般與房屋高度H的四次方成正比。在設計小高層住宅時，不僅要求結構具有足夠的強度，而且還要有足夠的抗側移剛度，使結構在水平荷載下產生的側移控制在一定范圍內。這是因為：過大的側移會使人不舒服，影響房屋的正常使用；過大的側移會使隔墻、圍護墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯軌道變形而導致不能正常運行；過大的側移會因P—△效應使結構產生附加內力，甚至因側移與附加內力的惡性循環(huán)導致建筑物的倒塌。

4．結構延性是鋼筋混凝土結構設計的重要指標。相對于低層住宅而言，小高層住宅更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結構在進入塑性階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當的措施，來保證結構具有足夠的延性。

三、小高層住宅鋼筋混凝土框架結構設計策略

1．優(yōu)化設計的方法。在無成熟的優(yōu)化設計分析軟件的情況下，主要是應用小高層住宅結構分析軟件，采用人工分析進行調整，運用概念設計的方法對不同的結構選型和布置不斷地進行方案分析比較，以獲得比較理想的結構方案，這是在結構設計中最常用的也是最簡單的優(yōu)選或者說是優(yōu)化方法。用概念設計的方法所得的方案是較合理、經濟的，雖其費工費時、對設計人員的素質要求較高，但這種依靠設計人員經驗進行人工優(yōu)化的方法仍是當前普遍采用的方法。

2．抗震性能分析。對結構體系來說足夠的承載能力和變形能力是兩個需要同時滿足的條件。結合概念設計的理念，對上述兩種結構體系進行對比分析，電算程序可以采用中國建筑科學研究院編制的結構空間有限元分析軟件SATWE。在結構設計中，不僅要求結構具有足夠的承載能力，還要求其有適當的剛度。高層結構的使用功能和安全與其側移的大小密切相關，過大的側向變形會使隔墻、維護墻及其飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞。結構分別按考慮5%的偶然偏心和雙向地震力作用的不利情況計算出各結構體系層間位移角，剪力墻結構小于框剪結構，但均小于規(guī)范要求，且富余量較大，說明兩種結構體系滿足剛度要求。

在使用性能方面，剪力墻結構由于墻體太多，結構自重大，導致了較大的地震作用，混凝土和鋼材用量也較高；同時也增加了基礎工程的投資，而且限制了建筑上的靈活使用。而框架——剪力墻結構的特點是平面使用靈活，適用性強，結構合理，能使框架、剪力墻兩種有著不同變形性能的抗側力結構很好地協(xié)同發(fā)揮作用。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。

3．經濟性比較。我們通過對3種鋼筋混凝土住宅結構直接費用的計算，發(fā)現(xiàn)3種鋼筋混凝土住宅結構單位面積直接費用相差不是很多，其中短肢剪力墻結構的單位面積直接費用最大，框架——剪力墻結構的單位面積直接費用最小，其中短肢剪力墻結構的單位面積直接費用比框架——剪力墻結構的單位面積直接費用高出12.5%，比大開間剪力墻結構的單位面積直接費用高出7.3%，大開間剪力墻結構的單位面積直接費用比框架——剪力墻結構的單位面積直接費用高出4.9%。3種鋼筋混凝土住宅結構的次要項目造價基本相同。單位面積造價框架——剪力墻結構的最小，大開間剪力墻結構的次之，短肢剪力墻結構的造價較大，3種結構體系直接費用最大相差不到45元/m2元。

伴隨著我國經濟的發(fā)展，人民生活水平也有了進一步的提高，隨之用戶對住宅的功能提出更高的要求，希望在使用建筑物過程中具有更大的靈活性，能夠適應多功能變換的需求。因此，設計單位在拿到開發(fā)單位的設計意圖后，能夠為我們設計出既經濟美觀又使用安全的好產品出來。