結(jié)合實(shí)例探討小高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳晨萬妮

摘要：對小高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)體系的適用性與經(jīng)濟(jì)性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。本文就以某小區(qū)為例，對目前普遍采用的幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析比較。

關(guān)鍵詞：小高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；適用性；經(jīng)濟(jì)性；抗震性能

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-3954（2013）21-0102-02

1 案例概述

某小區(qū)的十二層，一梯兩戶兩單元住宅，對稱結(jié)構(gòu)，層高均為2.90m，建筑物總高34.80m，長34.20m，寬14.70m，每層面積490m²，總面積5880m²，抗震烈度為Ⅵ度，場地土類別為三類，基本風(fēng)壓：0.60kN/m，采用“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件”程序及有關(guān)規(guī)范對不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算并分析比較。

1.1 框架結(jié)構(gòu)

此方案的特點(diǎn)是一般用于多層結(jié)構(gòu)及小高層結(jié)構(gòu)，適用高度范圍一般為60.0m以下（Ⅵ度設(shè)防）。框架結(jié)構(gòu)布置靈活，具有較大的室內(nèi)空間，使用較為方便。填充墻可采用輕質(zhì)隔墻，減輕結(jié)構(gòu)自重。但內(nèi)凸的框架柱直接影響到戶型的實(shí)際使用面積及家具布置。

1.2 異型柱框架結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式，它除了具有框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)外，與墻同寬的異型柱很好地解決了建筑平面使用問題。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ149-2006第3.1.2條抗震設(shè)計(jì)為Ⅵ度時(shí)，異型柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度為24m，本工程建筑總高為34.80m。故不宜采用異型柱框架結(jié)構(gòu)。

1.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)體系一般用于高層結(jié)構(gòu)，在近幾年的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯問做鋼筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載。這種結(jié)構(gòu)既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活，使用方便的特點(diǎn)，又具有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力。但內(nèi)凸的框架柱同樣影響到戶型的實(shí)際使用面積及家具布置。

1.4 異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)體系是框架剪力墻的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯問做鋼筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層問位移大大減小。同時(shí)，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。

1.5 普通剪力墻結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)體系一般用于高層結(jié)構(gòu)住宅，尤其在30層左右的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。此方案的特點(diǎn)是根據(jù)建筑平面布局而設(shè)置鋼筋混凝土墻，與墻同寬的剪力墻很好地解決了建筑平面使用問題。

該總高度僅34.8m，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度區(qū)，若采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，造價(jià)高，故不作為該工程的首選結(jié)構(gòu)類型。

1.6 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

此方案的特點(diǎn)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑平面布置，在建筑物凹凸轉(zhuǎn)角處布置各種行式的短墻肢，主要形式有：一型、Y型、+型、T型、Z型、Y型等。因采用這種結(jié)構(gòu)體系時(shí)，將中部的電梯問、樓梯問和管道井四周的剪力墻組成筒體結(jié)構(gòu)，四周布置短肢剪力墻，也可根據(jù)需要布置一些長肢墻，所以結(jié)構(gòu)布置極為靈活，基本上能根據(jù)建筑的要求布置豎向受力構(gòu)件。

2 結(jié)構(gòu)抗震性能的比較

2.1 框架結(jié)構(gòu)

一般用于多層及小高層結(jié)構(gòu)，即10層以下或建筑物高度H小于28.0m，對H大于30.0m的框架結(jié)構(gòu)，在抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度地區(qū)，《高規(guī)》第4.8.2條規(guī)定，抗震等級(jí)為三級(jí)。SATWE程序計(jì)算結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在水平荷載（風(fēng)荷載及地震荷載）的作用下，水平位移及層問位移為最大（1/1200）；由于框架柱作為唯一的抗水平力構(gòu)件，軸壓比限值為0.90，故框架柱截面尺寸較大，內(nèi)凸的框架柱直接影響到戶型的實(shí)際使用面積及家具布置。而且，最為嚴(yán)重的是，由于建筑的平面使用或立面造形的要求，經(jīng)常出現(xiàn)框架兩一端擱置在柱上，另一端擱置在梁上；或幾根框架柱并不在一條軸線上，往往出現(xiàn)單跨框架的現(xiàn)象，成為抗震薄弱環(huán)節(jié)。所以，在考慮抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)中，由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，特別是采用砌體填充墻時(shí)，地震中填充墻損壞嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)用很高。故對高層結(jié)構(gòu)不宜采用。

2.2 異型柱框架結(jié)構(gòu)

異型柱在受剪承載力、節(jié)點(diǎn)承載力和延性等受力性能方面比普通矩形柱差，在水平地震作用下，柱內(nèi)鋼筋的粘結(jié)錨易遭受破壞，對抗震性能有不利影響。因此，鋼筋混凝土異型柱框架及框架抗震墻結(jié)構(gòu)的房屋應(yīng)在一定的高度及適用范圍內(nèi)應(yīng)用，而不能等同于一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)《混凝土異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》適用于總高度小于24m的房屋。當(dāng)建筑的高度較高時(shí)，異形柱無法滿足軸力和抗側(cè)力的要求。所以，異型柱框架結(jié)構(gòu)相比較而言，抗震性能為最差。

2.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)

一般用于高層結(jié)構(gòu)，在近幾年的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯問做鋼筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載，水平位移及層問位移大大減小，軸壓比限值較框架結(jié)構(gòu)放寬，但考慮框架柱的構(gòu)造要求，及實(shí)際計(jì)算中若軸壓比大于0.90，則柱配筋較大，所以在小柱網(wǎng)的住宅中，與框架結(jié)構(gòu)相比，柱截面尺寸與不可能小很多，同樣存在上述建筑使用問題。

2.4 異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)體系是框架剪力墻的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯問做鋼筋混凝土核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層問位移大大減小。同時(shí)，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。Ⅵ度地區(qū)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)總高度不得超過45.0m，柱中距不大于7.20m?？拐鸬燃?jí)之所以異形柱有上述的限制條件，主要是異形柱的肢長較短，當(dāng)建筑的高度較高時(shí)，異形柱無法滿足軸力和抗側(cè)力的要求。在Ⅵ度設(shè)防地區(qū)，建筑物高度大于18.0m抗震等級(jí)即為三級(jí)，這點(diǎn)較框架結(jié)構(gòu)（60.0m）嚴(yán)格。

2.5 普通剪力墻結(jié)構(gòu)

一般用于高層結(jié)構(gòu)住宅，尤其在30層左右的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。此方案的特點(diǎn)是根據(jù)建筑平面布局而設(shè)置鋼筋混凝土墻，適當(dāng)部位開結(jié)構(gòu)洞，以輕質(zhì)填充墻代替，以減輕結(jié)構(gòu)自重及工程造價(jià)，可使各墻段剛度均勻，抗震性能好，水平位移及層問位移大大減小，尤其在戶型的實(shí)際使用面積及家具布置中。

2.6 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，為安全起見，對這種結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最大適用高度、使用范圍、抗震等級(jí)、墻肢厚度、軸壓比，截面剪力設(shè)計(jì)值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴(yán)格的限制。

3 計(jì)算結(jié)果的比較

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果：

地震周期?？蚣芙Y(jié)構(gòu)最大（T1=1.6463S），短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最小，異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)次之，其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然，這是與結(jié)構(gòu)的剛度有直接關(guān)系。

水平地震剪力?？蚣芙Y(jié)構(gòu)最小（1347.77f），短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最大，異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)次之，其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然，這是與結(jié)構(gòu)的地震周期是一致的。

最大層問位移?？蚣芙Y(jié)構(gòu)最大（Dx/h=1/455），短肢剪力墻結(jié)構(gòu)次之（1/3591），其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然，這是與結(jié)構(gòu)的剛度是一致的。

結(jié)構(gòu)自重?？蚣芙Y(jié)構(gòu)最大，其余結(jié)構(gòu)相差不大（約8300t）?；钶d相差不大（約600t）。恒載占總重量的百分比為93%以上，故在高層計(jì)算中，一般可不考慮恒活最不利組合，這對計(jì)算結(jié)果幾乎無影響。

混凝土用量。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大（約146m³），其余結(jié)構(gòu)相差不大（約1333）。相差了146/13.1=1.1倍。

鋼筋用量。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大（約18.5f），其余結(jié)構(gòu)相差不大（約16.0t）。相差了18.5/16.0=1.15倍。這是由于前者結(jié)構(gòu)的最小配筋率要求較高。

工程造價(jià)。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型桂剪力墻結(jié)構(gòu)較大（約405元/m³），框架結(jié)構(gòu)最?。?49元/m²）。這是由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)在混凝土用量和鋼筋用量均較高。

4 結(jié)論

通過對以上各類結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，各種類型均有優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視概念設(shè)計(jì)，根據(jù)其受力的特點(diǎn)，充分了解其破壞的各種機(jī)理合理、對稱、均勻地布置短肢墻，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面設(shè)計(jì)，并不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)建筑物所處的地區(qū)、業(yè)主的要求以及地質(zhì)條件在滿足國家規(guī)范及強(qiáng)制性條文的要求下選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。

參考文獻(xiàn)

[1]（建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范）（GB50007-2002）

[2]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-20011

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）