闡述高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

郭志欽

摘要：高層住宅主體結(jié)構(gòu)不僅承擔(dān)自身的垂直荷載，還要承擔(dān)風(fēng)荷載和地震產(chǎn)生的水平荷載，隨著建筑物高度的增加，垂直和水平荷載對結(jié)構(gòu)的作用力就會增強(qiáng)，而增大了水平荷載產(chǎn)生的彎矩和剪力，直接影響到高層住宅結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計。因此，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計是通過仔細(xì)計算、精心分析各項指標(biāo)實現(xiàn)的，尤其是關(guān)于結(jié)構(gòu)的荷載力和抗震結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計更為復(fù)雜化，以下從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)分析計算、抗震構(gòu)造設(shè)計等諸多方面對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行仔細(xì)研究和分析。

關(guān)鍵詞：高層住宅；結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)抗震

1.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

1.1滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

宅作為商品，開發(fā)商為有利可圖，要求投入少，經(jīng)濟(jì)效益好，購房者則要求房屋設(shè)計布局好，外觀美，房價適中，質(zhì)量上乘。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)房屋的建造地點、平立面體形、層數(shù)多少，在滿足安全性、耐久性和舒適性要求的前提下采用經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系，在構(gòu)件設(shè)計中應(yīng)精打細(xì)算，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范構(gòu)造要求，注意避免不必要的浪費。尤其在地基基礎(chǔ)設(shè)計中更應(yīng)該注意方案的經(jīng)濟(jì)比較，因為地基基礎(chǔ)設(shè)計方案合理與否對房屋造價至關(guān)重要。

1.2滿足安全性和耐久性要求。

住宅實行商品化后，應(yīng)成為廣大住戶的耐用消費品，使用壽命長是區(qū)別于其他消費品的最大特點。因此，結(jié)構(gòu)安全性和耐久性是住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的最基本的要求。在結(jié)構(gòu)體系的選擇，材料的選用，都應(yīng)該有利于抗風(fēng)抗震，以及在使用壽命期間維修改造的可能性。

1.3滿足舒適性要求。

住宅建筑設(shè)計應(yīng)該為住戶起居的舒適性要求提供條件，例如，多種戶型，靈活分隔室內(nèi)空間，人居的熱、光、聲的環(huán)境等要求，為此結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)較好地配合建筑和機(jī)電專業(yè)，盡可能在居住空間中避免露柱露梁的壓抑感和采用隔音較差的分隔墻材料，使室內(nèi)簡潔明快，隔聲較好，給居住者創(chuàng)造一個幽靜舒適的環(huán)境。結(jié)構(gòu)方案中還應(yīng)考慮住戶日后改變分隔空間的可能性，當(dāng)采用剪力墻結(jié)構(gòu)時，宜采用大開間布置。

2.小高層住宅的幾種結(jié)構(gòu)形式

近幾年來，隨著房地產(chǎn)行業(yè)的火爆，人們對住宅平面與空間的要求也越來越高，小高層建筑形式不斷涌現(xiàn)。由于目前的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計大多數(shù)是根據(jù)已經(jīng)確定好的平面和豎向布置，先假定好構(gòu)件尺寸，通過電算對個別超限的指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。很多時候都會產(chǎn)生不必要的浪費。另外，建筑的住宅布置有時候考慮立面造型和內(nèi)部使用空間，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些不合理之處。例如結(jié)構(gòu)的剛度偏心和扭轉(zhuǎn)及平面不規(guī)則等，這些情況對結(jié)構(gòu)受力及抗震均不利。因此我們在設(shè)計時必須強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計，在平面布置和構(gòu)造設(shè)計上使結(jié)構(gòu)更趨合理，同時做到經(jīng)濟(jì)合理。小高層住宅結(jié)構(gòu)形式也多種多樣，主要有以下幾種。

2.1框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)優(yōu)點主要是結(jié)構(gòu)布置靈活，具有較大的室內(nèi)空間，尤其底層可以較大空間，使用較為方便。缺點是框架柱截面很大且突出墻體，直接影響到戶型的實際使用面積及家具布置。且建筑平面布置需要十分規(guī)則。

3.2異形柱框架結(jié)構(gòu)

異形柱框架結(jié)構(gòu)特點類似于框架結(jié)構(gòu)，且柱寬與墻厚相同。解決了室內(nèi)空間使用的問題。缺點是此種結(jié)構(gòu)形式太柔對抗震不利，房屋適用高度很低。

2.3框架剪力墻結(jié)構(gòu)

框架剪力墻結(jié)構(gòu)較多的用在高層結(jié)構(gòu)中。外部框架結(jié)構(gòu)主要承受豎向力，框架布置靈活。電梯井為剪力墻承受大部分水平荷載。此種結(jié)構(gòu)形式比較適合于商業(yè)和商住等有大空間需求的建筑。缺點也是外露的框架柱會影響使用。

2.4剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)是根據(jù)建筑平面布置設(shè)置鋼筋混凝土剪力墻，無外露柱子很好滿足了建筑平面的使用要求。缺點是結(jié)構(gòu)剛度大、自重大、地震反應(yīng)大。建筑和結(jié)構(gòu)布置不合理的話也會增加鋼筋用量。

2.5短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是一種剪力墻墻肢較短的特殊剪力墻結(jié)構(gòu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)布置十分靈活，結(jié)構(gòu)特點也和剪力墻結(jié)構(gòu)類似。在非地震區(qū)和地震烈度較低的地方短肢剪力墻結(jié)構(gòu)要更為經(jīng)濟(jì)。

3.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

3.1折減高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的周期性

高層住宅建筑在設(shè)計框架、頂蓋等結(jié)構(gòu)時，由于填充墻體的具體存在，導(dǎo)致實際中的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的剛度比設(shè)計時候計算得到的剛度相差比較大，計算的周期同時也比實際的周期相差比較大。因此，結(jié)構(gòu)剪力算出來偏小的時候，會造成房屋的一些結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不安全因素，所以應(yīng)該適當(dāng)把房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時計算得到的進(jìn)行折減，能夠取得到顯著的效果，但是高層住宅建筑的框架結(jié)構(gòu)，不能折剪計算得到的周期。

3.2對剪力墻的設(shè)計要加強(qiáng)

剪力墻的設(shè)計關(guān)鍵是連梁設(shè)計。聯(lián)肢墻是連梁把各墻肢進(jìn)行聯(lián)結(jié)組成，增大了約束墻肢的剛度。連梁剛度被增大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震作用同時增大，也增大了連梁與墻肢的分配內(nèi)力，這種情況下只能把構(gòu)件配筋量增大，這樣的設(shè)計結(jié)果明顯在很大程度上浪費了材料。所以，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計的時候，不應(yīng)該把具有大剛度的窗下墻當(dāng)作連梁，而是要把連梁設(shè)計分為截面和小剛度的弱連梁。當(dāng)然，滿足了結(jié)構(gòu)的剛度和變形的要求后，就要從經(jīng)濟(jì)的角度和抗力以及變形方面進(jìn)行綜合的考慮，合理進(jìn)行抗側(cè)力構(gòu)件的布置。結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的剛度隨著剪力墻的數(shù)量增多而增大，但是相應(yīng)的結(jié)構(gòu)位移隨之減小，抗側(cè)力剛度變大的同時結(jié)構(gòu)地震力也隨之增大，非常不利于結(jié)構(gòu)造價的控制。所以，剪力墻應(yīng)該遵循周邊分散、均勻等原則進(jìn)行合理的布置，對水平位移的限值進(jìn)行規(guī)范化，盡最大程度的把剪力墻的數(shù)量降到最低。

3.3高層住宅建筑結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的優(yōu)化

高層住宅建筑結(jié)構(gòu)耐久性的設(shè)計能夠確保在高層使用后，在合理使用的壽命期限里，應(yīng)該滿足居住者的使用要求。但是在設(shè)計上很多都沒有達(dá)到要求，其主要原因是對建筑結(jié)構(gòu)的使用過程缺乏合理的考慮，可能遭受條件以及使用環(huán)境的影響最終導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)的損傷，造成房屋可靠度的指數(shù)降低。一般情況下，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，最理想的是能夠做到造價低廉和節(jié)約材料，然而最近幾年來，人們的生活水平得到很大的提高，對生活質(zhì)量的要求越來越高，加上在實際的工程中，由于一些使用要求、技術(shù)指標(biāo)等成為了設(shè)計中的主要矛盾時，設(shè)計方案就無法單純的追求節(jié)省經(jīng)濟(jì)。因此，在高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計以優(yōu)化為目標(biāo)時，應(yīng)該要正確了解掌握設(shè)計中關(guān)鍵性的問題，主次分明的對目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計的優(yōu)化，使之能夠達(dá)到整體滿意的效果。

3.4高層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計的優(yōu)化

進(jìn)行圖紙的設(shè)計時，應(yīng)該按抗震設(shè)防進(jìn)行分類，抗震等級要依照具體的建筑高度、結(jié)構(gòu)類型以國家頒布的《抗震規(guī)范》為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。在建筑中可以不考慮地震震力的振型數(shù)據(jù)耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)的計算；當(dāng)振型數(shù)據(jù)>3時，要以3的整數(shù)倍進(jìn)行計算，但是數(shù)據(jù)必須小于建筑物的層數(shù)；當(dāng)建筑物的層數(shù)低于2層時，振型數(shù)可以采用建筑物的層數(shù)。但是在房屋結(jié)構(gòu)不規(guī)則時，就要對扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)進(jìn)行考慮，高層住宅建筑的振型數(shù)不能低于8，建筑結(jié)構(gòu)的層數(shù)多、剛度系數(shù)大，就應(yīng)該多要振型數(shù)，才能達(dá)到更好的抗震效果。

3.5結(jié)構(gòu)設(shè)計要注重細(xì)節(jié)的優(yōu)化

在設(shè)計過程中，不僅要注重整體結(jié)構(gòu)，也要注重局部構(gòu)件。澆板設(shè)計可以把異形板細(xì)分成矩形板，能夠使受力更加均勻，同時也防止發(fā)生拐角裂縫。在建筑底部的梁箍筋使用的配箍量相當(dāng)較大，因此箍筋采用冷軋帶肋的鋼筋，不僅可以減少箍筋直徑和肢數(shù)，還能節(jié)約工程造價。當(dāng)高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)不規(guī)則縱向時，特別要仔細(xì)計算出最薄弱的位置加以優(yōu)化。

4.結(jié)語

綜上所述，高層住宅的建設(shè)中尚有許多需要設(shè)計人員去解決的問題。如設(shè)計更好的戶型，創(chuàng)造更優(yōu)雅的居住環(huán)境，降低成本等。筆者認(rèn)為建筑設(shè)計師只要不斷地創(chuàng)新，不斷地提高與改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，不斷地推廣與宣傳，才能做出一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

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