某高層住宅小區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

摘要：本文根據(jù)筆者參與的某高層住宅小區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的比較分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案，從而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)置轉(zhuǎn)角窗進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換；結(jié)構(gòu)分析；短肢剪力墻；結(jié)構(gòu)探討

引言

某住宅小區(qū)B地塊占地34770㎡，總建筑面積為97321㎡，地下1層，地上由A、B、C棟3棟12層的塔樓和D、E、F棟3棟16層的塔樓組成。各棟的首層均要求局部架空作為綠化用地或商業(yè)用途，為了建筑功能的需要，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

1結(jié)構(gòu)體系

為了保證2層以上住宅不凸梁、柱，結(jié)構(gòu)體系采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系，地下車庫及首層局部架空部分均要求開闊的空間，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層。

關(guān)于結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，有兩種方案：

方案l：常規(guī)的做法，轉(zhuǎn)換層設(shè)于2層。優(yōu)點(diǎn)是：首層和地下車庫很開闊，足以提供小區(qū)綠化和休閑的場地或臨街商鋪。缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換梁高為1200mm，部分為間接轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換梁高為1400mm，建筑為了保證首層的凈高，不得不加大首層的層高，不經(jīng)濟(jì)合理。

方案2：轉(zhuǎn)換層設(shè)于首層（地下室頂板），即轉(zhuǎn)換層于與地下室頂板二合一來考慮，地下室頂板為梁、板結(jié)構(gòu)。個(gè)別剪力墻不能完整下來的，就在2層作小轉(zhuǎn)換，既保證地下車庫的功能要求，又基本上達(dá)到首層開闊的要求。為了不影響地下室的凈高，轉(zhuǎn)換梁反上來（不露出覆土完成面）。該方案優(yōu)點(diǎn)更突出，同時(shí)滿足規(guī)范對轉(zhuǎn)換層和地下室頂板的要求，而且2層的梁與標(biāo)準(zhǔn)層一樣，僅600mm高，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)非常顯著。

經(jīng)過多方協(xié)商，最后選擇了方案2，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于方案1，體現(xiàn)在：①節(jié)省了首層的層高；②規(guī)范要求地下室頂板≥160mm，轉(zhuǎn)換層的板厚≥180mm，合起來后我們?nèi)=200mm足夠。E棟的地下室頂板（轉(zhuǎn)換層）結(jié)構(gòu)平面見圖l，粗線為轉(zhuǎn)換梁。

為方便施工，地下室底板選用厚板結(jié)構(gòu)。塔樓采用CFG復(fù)合地基，獨(dú)立地下室采用獨(dú)立基礎(chǔ)，地下室側(cè)壁板下用條基。經(jīng)復(fù)核，沉降差可滿足要求。

2主體結(jié)構(gòu)分析

2.1分析程序

主體結(jié)構(gòu)采用TBSA和SATWE兩種分析程序，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較。地下室底板的無梁結(jié)構(gòu)采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法計(jì)算。

2.2結(jié)構(gòu)模型和分析結(jié)果

由于地下室頂板標(biāo)高參差不齊，地下室側(cè)壁板還局部開窗，側(cè)壁外的回填土不能夠提供足夠的側(cè)向約束，故結(jié)構(gòu)計(jì)算模型嵌固于地下室底板，各塔樓以各自獨(dú)立的模型計(jì)算。

先用TBSA分別算出雙向地震和偶然偏心兩種情況，取不利者；然后用SATWE進(jìn)行計(jì)算，不同之處是在地下室頂板定義了“彈性膜”，以更精確地考慮頂板凹凸不平的情況。

對TBSA和SATWE兩種程序的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合分析，見表l。

結(jié)果顯示，兩個(gè)程序的結(jié)果很接近，具有共同的特點(diǎn)：

（1）振型為橫向平動，第二振型為縱向平動，第三振型為扭轉(zhuǎn)，累計(jì)有效質(zhì)量系數(shù)均大于90%，說明所選定的振型已滿足要求。

（2）側(cè)向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度控制均滿足規(guī)范要求，各層剪重比均在合理范圍內(nèi)。

3、短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)于設(shè)置轉(zhuǎn)角窗的討論

3.1設(shè)置轉(zhuǎn)角窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中建筑師為了室內(nèi)采光、立面美觀以及所謂的景觀房的需要，在外墻轉(zhuǎn)角處設(shè)轉(zhuǎn)角窗。

建筑物角部是結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性部位，一般均設(shè)置“L”形剪力墻，這種情況下角部構(gòu)件內(nèi)力較大，程度不同地都顯示出剪力滯后、應(yīng)力集中、受力復(fù)雜等現(xiàn)象。若設(shè)置轉(zhuǎn)角窗，就是在角部墻體上開洞，實(shí)際上是取消了角部的墻體，代之以角部曲梁（交叉連梁）。這將使角部附近的構(gòu)件受力更加復(fù)雜。

3.2設(shè)置轉(zhuǎn)角窗對整體受力分析的影響

轉(zhuǎn)角窗對短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)總體來說是不利的。一方面，就樓板本身而言，其在角窗轉(zhuǎn)角部位無豎向構(gòu)件（如柱或墻肢）的可靠約束，只有轉(zhuǎn)角窗上交叉連梁的橫向約束，對角部樓板約束較弱。當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)心和剛心稍有偏差，樓板因水平力偏心受扭時(shí)，角窗轉(zhuǎn)角部位的樓板扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中，變形會很大，嚴(yán)重時(shí)會擠壞脫落。另外，樓板的同一邊的約束有強(qiáng)有弱，對樓板的受豎向力也不利。

另一方面，就墻肢的平面分布而言，角部外墻由于遠(yuǎn)離剛心，在兩個(gè)方向都具有較大的抗扭剛度，對調(diào)整整個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)起到很大的作用。若取消角部的墻體，很容易造成對結(jié)構(gòu)抗震性能的削弱，特別是對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的影響很大，極易造成“扭轉(zhuǎn)不規(guī)則”的平面類型：即樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍。對A級高度的高層住宅結(jié)構(gòu)，規(guī)范規(guī)定上述位移比不應(yīng)超過1.5。另外，還應(yīng)控制周期比（即T1/T2不應(yīng)大于0.90），并使扭轉(zhuǎn)禍聯(lián)為主的振型盡量靠后（最好為第三周期）。如果不滿足上述兩個(gè)指標(biāo)要求，應(yīng)采取增強(qiáng)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的有效措施。一般來說，洞口附近應(yīng)避免采用短肢剪力墻和單片剪力墻，宜采用“T”、“L”、槽型等截面形狀的墻體，且墻厚宜適當(dāng)加大，角窗洞邊的暗柱宜按約束邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)，其截面尺寸宜適當(dāng)加大，配筋宜適當(dāng)加強(qiáng)。

剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)轉(zhuǎn)角窗對結(jié)構(gòu)整體效應(yīng)影響頗大，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差異。設(shè)轉(zhuǎn)角窗的剪力墻結(jié)構(gòu)，其外墻內(nèi)力明顯增大。開洞的角部各構(gòu)件扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，特別是洞口處的連梁，需配置抗扭鋼筋。對角部墻體開洞的剪力墻結(jié)構(gòu)，開洞連梁的跨度及截面高度的大小對鄰近構(gòu)件內(nèi)力的影響也不容忽視，應(yīng)注意調(diào)整開洞連梁的跨高比，使設(shè)計(jì)盡可能經(jīng)濟(jì)合理。

3.3轉(zhuǎn)角梁的設(shè)計(jì)

3.3.1轉(zhuǎn)角梁的內(nèi)力分析

見圖2所示的轉(zhuǎn)角梁ABC實(shí)為一根轉(zhuǎn)角為90度的拐角梁，早期曾按兩根不同跨度的懸臂梁設(shè)計(jì)，當(dāng)兩邊荷載和尺寸L1與L2相近時(shí)，還是可以作為設(shè)計(jì)依據(jù)的，否則在點(diǎn)B處宜按變位協(xié)調(diào)原則分析其內(nèi)力。

高層建筑住宅結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角窗處的內(nèi)力在一般情況下宜用有限元法分析計(jì)算，其中梁、柱均為一維構(gòu)件，可采用兩端帶剛域的空間桿單元來模擬其受力狀態(tài)。根據(jù)約束條件的不同，空間桿單元可分為兩端固定、一端固定一端鉸接和兩端鉸接3種情況計(jì)算，并應(yīng)考慮剪切變形的影響。結(jié)構(gòu)電算時(shí)，轉(zhuǎn)角梁的負(fù)彎矩調(diào)幅系數(shù)、扭矩折減系數(shù)均應(yīng)取1.0，不能有折減系數(shù)。

轉(zhuǎn)角梁ABC不同于一般梁，也不同于剪力墻之間的連梁，它是一根整體折梁。當(dāng)L1與L2相近時(shí)，該梁具有較多的懸臂梁工作性質(zhì)，當(dāng)L1與L2相差較大時(shí)，較短梁的梁端將不同程度上對較長梁起著彈性支承的作用。另外在一般情況下，外挑陽臺對梁ABC產(chǎn)生的扭矩可采用在樓板內(nèi)配置負(fù)彎矩鋼筋予以平衡，但室內(nèi)樓板活荷載對梁仍有扭矩產(chǎn)生，一般較小。梁的主要鋼筋最小值（上部縱向受力鋼筋）不宜按一般梁考慮（0.2和45ft/fy中的較大值），宜根據(jù)不同的抗震等級及混凝強(qiáng)度等級參考框架梁支座配筋率確定。而其配箍率也不宜按一般梁（0.24ft/fyv）考慮，而宜按框架梁的最小面積配箍率考慮。

轉(zhuǎn)角窗上下均應(yīng)設(shè)置轉(zhuǎn)角梁，在一般情況下其截面高度為上下窗臺之間的凈空高度或小于該凈空高度，而其寬度則與墻厚相同。梁的抗震等級和混凝土強(qiáng)度等級宜與其相連的短肢墻的等級一致。

3.3.2轉(zhuǎn)角梁的配筋構(gòu)造

轉(zhuǎn)角梁ABC上筋宜為一根帶90度彎角的L形鋼筋，兩端錨入墻內(nèi)長度laE，如在點(diǎn)B處斷開由兩根鋼筋連接組成，則宣采用機(jī)械連接或焊接連接。

轉(zhuǎn)角梁ABC截面兩側(cè)當(dāng)腹板高度hwt≥450mm時(shí)，每側(cè)應(yīng)配置縱向構(gòu)造鋼筋，其直徑不小于1O～12，兩側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋按下式計(jì)算：

As≥0.2b*hw

式中：b、hw分別為梁ABC的截面寬度與腹板高度。

3.4轉(zhuǎn)角窗墻肢的設(shè)計(jì)

一般來說，轉(zhuǎn)角窗兩側(cè)應(yīng)避免采用短肢剪力墻和單片剪力墻，宜采用“T”，“L”，槽型等截面形狀的墻體，且墻厚宜適當(dāng)加大，其截面尺寸宜適當(dāng)加大。

轉(zhuǎn)角窗洞口兩側(cè)墻肢均屬于無端柱無翼墻，根據(jù)建筑抗震規(guī)范，一、二級底部加強(qiáng)區(qū)的墻體厚度不應(yīng)小于層高的1/12，且不應(yīng)小于200mm；而其他部位則不應(yīng)小于層高的1/16，且不應(yīng)小于160mm。一、二級抗震等級轉(zhuǎn)角窗墻肢端部在底部加強(qiáng)區(qū)及其上一層應(yīng)采用約束邊緣構(gòu)件。非加強(qiáng)區(qū)也宜采用約束邊緣構(gòu)件，但最小體積配筋率可根據(jù)電算中的實(shí)際軸壓比將配箍特征值λv由0.2適當(dāng)降低，但其他（如配置箍筋）應(yīng)與約束邊緣構(gòu)件完全相同。

3.5設(shè)置轉(zhuǎn)角窗時(shí)樓板的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)角窗處樓板處于房屋外角邊緣，其外角邊界是由梁ABC支承而不是墻支承，且扭轉(zhuǎn)剛度較差，故在A、C兩點(diǎn)處（即墻肢端點(diǎn)處）宜設(shè)置與樓板等厚度的暗梁（見圖1），梁寬可取0.5～1.0m。暗梁的配筋宜上下相同，配筋率不宜低于0.2和45ft/fy中的較大值，并宜配置箍筋。

轉(zhuǎn)角窗處樓板厚度應(yīng)按房間四邊尺寸大小經(jīng)計(jì)算確定，宜適當(dāng)加厚（在14O～150mm之間）。樓板配筋也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，宜采用雙層雙向10@100～12@100，并宜直通伸入相鄰房間板內(nèi)適當(dāng)長度，板的配筋率不宜小于0.25%～O.30%。

4結(jié)語

綜上所述，筆者組織參與了整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，通過結(jié)構(gòu)方案的比較選擇，得到了較好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，滿足建筑功能的同時(shí)，使建筑含鋼量降低，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益；通過對轉(zhuǎn)角窗的結(jié)構(gòu)受力分析，得到了轉(zhuǎn)角窗部位的合理設(shè)計(jì)方法。

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