工程中結(jié)構(gòu)類型的合理選用

王國強(qiáng)

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

眾所周知破壞性地震是一種巨大的自然災(zāi)害，由于地震動具有明顯的不確定性和復(fù)雜性，迄今人們對地震規(guī)律性的認(rèn)識還不足。歷次大地震的震害經(jīng)驗表明，在某種意義上，建筑的抗震設(shè)計仍然是一門“藝術(shù)”，依賴于設(shè)計人員的抗震設(shè)計理念。因此對一個建筑來講，選擇安全合理的結(jié)構(gòu)形式是十分重要的。那么如何在滿足建筑功能需求及在投資預(yù)算允許的范圍內(nèi)選用合理的結(jié)構(gòu)形式，下面以實際工程為例，講述筆者對這一問題的理解。

某住宅小區(qū)擬建7棟住宅樓，住宅樓均為地下1層，地上6層，地下室層高 2.8 m，1 層 ～5 層層高3.0 m，6 層層高 4.0 m，室內(nèi)外高差1.050，結(jié)構(gòu)總高度為20.050，抗震設(shè)防烈度為7 度(0.15g)，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為兩組。以其中一棟為例，標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

由于該工程結(jié)構(gòu)總高度為20.050(小于24 m)，故該工程屬多層房屋。多層房屋的結(jié)構(gòu)類型選擇比較多，常見的有砌體結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等。確定結(jié)構(gòu)類型的幾個主要因素:是否安全可靠、能否滿足使用功能、工程造價是否在允許范圍內(nèi)。那么在這幾種結(jié)構(gòu)類型中我們?nèi)绾芜x擇，下面我們首先看砌體結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)材料一般屬脆性材料，砌筑而成的結(jié)構(gòu)也是脆性結(jié)構(gòu)，當(dāng)然它的抗震性能是很差的，特別是抵御側(cè)向水平地震作用時，在變形極小的情況下就會發(fā)生開裂，進(jìn)而突然倒塌。因此砌體結(jié)構(gòu)的使用高度是有嚴(yán)格限制的。

查《抗規(guī)》可知7度(0.15g)時采用普通磚的房屋層數(shù)限值為7層，總高度為21 m，采用砌體結(jié)構(gòu)是可行的。根據(jù)結(jié)構(gòu)試算的結(jié)果，外墻1層～6層采用360厚，1層～3層內(nèi)隔墻部分采用360墻，其余采用240墻。另外根據(jù)《抗規(guī)》7.1.3條“多層砌體承重房屋的層高，不應(yīng)超過3.6 m?！痹摴こ?層層高為4 m，超過抗規(guī)的高度限值，解決方法是在3.6 m高度加結(jié)構(gòu)板，或?qū)?層層高降為3.6 m。

經(jīng)與建筑協(xié)商，主要有以下兩個問題:1)原建筑方案墻體厚度為200厚，如采用砌體結(jié)構(gòu)方案，僅外墻采用360厚就使建筑面積減少約15 m2，而且甲方要求每層的建筑面積要保持一致;2)6層層高4 m是與甲方最終確定的，不能更改，于是協(xié)商的結(jié)果是砌體結(jié)構(gòu)的方案是不適用于該工程的。那么我們來看框架結(jié)構(gòu)是否適用。

經(jīng)過汶川地震2010版抗規(guī)對框架的內(nèi)力調(diào)整系數(shù)進(jìn)行了修改(見表1)，2010版還規(guī)定，甲、乙類框架結(jié)構(gòu)不得采用單跨;框架結(jié)構(gòu)柱的最小截面尺寸，除不超過2層和四級外，比2001版增加100 mm;柱縱向受力鋼筋的最小總配筋率比一般框架增加0.1%、最大軸壓比控制比2001版加嚴(yán)0.05。

表1 框架內(nèi)力調(diào)整系數(shù)變化對比

查《抗規(guī)》可知7度(0.15g)時鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的房屋最大適用高度為50 m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是可行的。查《抗規(guī)》表6.1.2可知框架的抗震等級為三級?；炷翉?qiáng)度等級采用C30，縱向受力鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB300。經(jīng)試算框架柱的最小截面為400×400，前3振型的周期、轉(zhuǎn)角、平動系數(shù)(X+Y)見表2。X方向最大層間位移角:1/786;Y方向最大層間位移角:1/818。計算結(jié)果的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求。

表2 周期、轉(zhuǎn)角、平動系數(shù)(X+Y)(一)

地震作用最大的方向=89.941°。

經(jīng)與建筑協(xié)商，主要問題是結(jié)構(gòu)柱會凸出墻體影響建筑室內(nèi)效果。這樣的話，為保證建筑的室內(nèi)效果，我們考慮可否采用異形柱框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》異形柱的房屋最大適用高度見表3。

表3 異形柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度 m

該工程抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，結(jié)構(gòu)總高度為20.050。顯然異形柱框架結(jié)構(gòu)是不適用于本工程的，只可采用異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》異形柱結(jié)構(gòu)的抗震等級:框架部分為三級，剪力墻部分為二級?；炷翉?qiáng)度等級采用 C30，縱向受力鋼筋采用 HRB400級，箍筋采用HPB300。典型柱截面見圖2，結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖3。前3振型的周期、轉(zhuǎn)角、平動系數(shù)(X+Y)見表4。X方向最大層間位移角:1/1 647;Y方向最大層間位移角:1/2 093。

圖2 典型柱截面

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置圖

表4 周期、轉(zhuǎn)角、平動系數(shù)(X+Y)(二)

地震作用最大的方向=－1.646°。

采用異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)是可以滿足建筑功能的需求，結(jié)構(gòu)計算的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范規(guī)程的要求。但是結(jié)構(gòu)柱的截面尺寸較大，柱布置較多。結(jié)構(gòu)柱及剪力墻的抗震等級較高，結(jié)構(gòu)柱為三級，剪力墻為二級，底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。這樣結(jié)構(gòu)的含鋼量勢必增加，是否有更合適的結(jié)構(gòu)類型。

當(dāng)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)時，查《抗規(guī)》可知7度(0.15g)時鋼筋混凝土剪力墻房屋最大適用高度為120 m，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是可行的。查《抗規(guī)》表6.1.2可知剪力墻的抗震等級為四級?；炷翉?qiáng)度等級采用C30，縱向受力鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB300。經(jīng)試算，剪力墻平面布置圖見圖4。前3振型的周期、轉(zhuǎn)角、平動系數(shù)(X+Y)見表5。X方向最大層間位移角:1/1 482;Y方向最大層間位移角:1/1 258。

圖4 剪力墻平面布置圖

表5 周期、轉(zhuǎn)角、平動系數(shù)(X+Y)(三)

地震作用最大的方向=0.000°。

采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)是可以滿足建筑功能的需求，結(jié)構(gòu)計算的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范的要求。根據(jù)《抗規(guī)》剪力墻僅底部1層設(shè)置加強(qiáng)區(qū)，由于剪力墻的抗震等級為四級，該工程不設(shè)置約束邊緣構(gòu)件僅設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。查看計算配筋結(jié)果文件，墻體配筋大部分為構(gòu)造配筋，滿足最小配筋率即可。

鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)同樣都能滿足建筑使用功能的需求。從結(jié)構(gòu)類型的角度分析:剪力墻結(jié)構(gòu)較異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的安全度要高;從工程造價的角度分析:剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級為四級，異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)的框架部分為三級，剪力墻部分為二級，僅從構(gòu)造上剪力墻結(jié)構(gòu)的含鋼量要小于異形柱框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。

剪力墻結(jié)構(gòu)安全度高，滿足建筑使用功能的需求，工程造價控制在允許范圍內(nèi)，最終該工程的結(jié)構(gòu)類型選用剪力墻結(jié)構(gòu)。

我國幅員遼闊，自然環(huán)境復(fù)雜，是地震頻發(fā)的國家，尤其近幾年汶川地震、玉樹地震等大地震災(zāi)害頻繁發(fā)生，給我國人民的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的危害。故我們設(shè)計人員在結(jié)構(gòu)選型中應(yīng)在投資預(yù)算允許的范圍內(nèi)采用安全度較高的結(jié)構(gòu)形式。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JGJ 149-2006，混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.