高層住宅建筑結構設計的重點事項研究

袁見明

（湖南方圓建筑工程設計有限公司，湖南長沙 410011）

0 引言

伴隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的高層住宅建筑得到了建設。但就目前來看，高層住宅建筑結構設計容易出現(xiàn)問題，導致建筑結構安全受到了較大危險。一旦發(fā)生事故，則將引起人員傷亡，使得建筑結構設計引發(fā)了社會廣泛關注。因此，還應加強高層住宅建筑結構設計重點事項分析，以便使建筑結構得到科學設計。

1 高層住宅建筑結構設計特點

在高層住宅建筑中，主要采用框架結構、剪力墻結構和框剪結構。其中，框架結構由桿件剛性連接構成，能夠靈活進行空間布置。但梁柱截面較小，使得結構剛度小，側(cè)移大，抵抗力較差，不適用于地震區(qū)。剪力墻結構則是首選結構形式，能夠利用鋼筋混凝土墻體對水平力、豎向力進行承載，利用剪力墻對墻體和樓板進行較好連接[1]。該種結構剛度較大，具有較強抗震能力。框剪結構是利用大剪力墻對部分框架結構進行替代，利用樓板和連梁構成結構體系，使結構整體剛度得到提升，受水平荷載作用可以產(chǎn)生較高承載力。實際在高層住宅建筑結構設計中，需要考慮結構延性，確保結構進入塑性階段依然維持較強變形能力，以免建筑發(fā)生坍塌問題。結構側(cè)移需要控制在一定限度范圍內(nèi)，避免水平荷載作用下結構發(fā)生過大側(cè)移變形。由于豎向荷載基本為確定數(shù)值，風荷載、地震作用等將有所變化，水平荷載變化幅度較大，設計時應確保引發(fā)的軸力、彎矩能夠與樓房高度成正比，以免結構受到過大影響[2]。而在豎向荷載過大時，結構柱將發(fā)生較大軸向變形，導致連續(xù)梁中間支座位置負彎矩變小，跨中正彎矩與端支座彎矩加大，影響結構安全性。此外，高層住宅建筑需要加強結構抗震設計，保證建筑做到小震不壞、大震不倒。

2 高層住宅工程概況及其結構設計要點

2.1 工程概況

某高層住宅項目地上35層，1~5層為商業(yè)建筑，6層為轉(zhuǎn)換層，7層及以上為住宅，地下一層，建設有停車場、消防通道。建筑采用剪力墻結構體系，剪力墻直接落地。上部設置伸縮縫，凈寬300mm，使地下室頂部與上部結構保持獨立，左塔和右塔長分別為32.6m和56m。

2.2 結構布局分析

對建筑結構體系展開分析，可以發(fā)現(xiàn)存在一定不規(guī)則性，在結構布局上需要多次驗算，促使結構抗扭能力得到提高。

在水平布局方面，應加強層間位置控制。利用層間位移比、位移角，能夠使平面布置的不規(guī)范性得到控制，避免結構產(chǎn)生過大偏心力，以免引發(fā)較大扭轉(zhuǎn)效應。在結構正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，水平位移能夠得到限制，保證結構具備足夠強度和剛度，避免過大位移導致結構承受力受到影響。在案例中，部分樓層最大層間位移和兩端層間位移比在1.2~1.4范圍內(nèi)，還應對剛度分布進行優(yōu)化，以便使結構出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則問題得到改善。在邊梁和邊墻設計中，還應使結構對扭轉(zhuǎn)剛度貢獻得到增加。為滿足建筑使用功能要求，建筑1~5層設計較多樓梯，將造成樓板存在大開洞，導致剪力墻剛度被削弱。為彌補結構剛度損失，需要將樓梯按照圍合形式進行布置，構成筒體結構。此外，需采用150厚板對1~5層樓板剛度進行加強，在適當提高配筋率的同時，完成雙層雙向鋼筋設置，使結構整體剛度得到提高。

從建筑豎向布局上來看，轉(zhuǎn)換層結構設計將引發(fā)豎向不規(guī)則問題。采取豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)形式進行轉(zhuǎn)換層布局，容易導致結構因不規(guī)則問題出現(xiàn)超限情況。因此在設計階段需要完成抗震縫設置，也可以對樓板結構進行增設。而轉(zhuǎn)換層位于6層，相對較高，需要保證轉(zhuǎn)換層上、下樓板剛度達到要求，促使上、下部結構得到嚴格控制，達到一定剛度比要求。等效剛度比越小，說明上、下結構位移角、內(nèi)力發(fā)生明顯突變。而上、下結構部分等效側(cè)剛度較為接近，能夠使結構部件內(nèi)部應力得到消除，使變形突變得到減少，因此設計時還應將剛度比設定為1。無法達到這一要求，可以對柱體、墻體等豎向構件強度進行調(diào)整。針對6層以上樓層，考慮到樓板較薄，需要對連接板剛度進行加強，采用150厚板的同時，完成雙層鋼筋配置。在建筑28層位置，需要完成局部收進，盡管幅度較小，并未引發(fā)豎向不規(guī)則問題，但容易產(chǎn)生位移突變。為防止高位出現(xiàn)薄弱層，需要設計上下剪力墻進行加強設計，使上、下層剛度比得到有效控制。

2.3 結構受力分析

在建筑結構設計中，需要對結構豎向荷載和水平荷載作用力展開分析，保證結構整體穩(wěn)定。剪力墻結構受力具有一定復雜性，還要利用三維分析軟件完成結構整體性能分析，確認各部分是否存在薄弱環(huán)節(jié)。采用有限元分析軟件，可以對梁、柱等構件配筋展開分析，確認各部分結構能否達到使用要求。建筑采用剪力墻結構為A級，結構高寬比限值為6。從結構設計情況來看，左塔高寬比為7.88，右塔為6.8。從整體來看，工程高度比超出100m，還要利用彈性時程分析法進行分析，研究風載、地震作用等水平荷載作用下結構整體抗傾覆情況，并對結構墻、柱等豎向構件抗壓力狀況展開分析。通過對各部分結構最大程度破壞展開分析，能夠為結構配筋優(yōu)化提供依據(jù)，促使結構整體性能得到改善。

根據(jù)結構實際尺寸，需要分別建立左塔和右塔結構模型，達到基礎頂面，對嵌固層側(cè)向桿固定展開分析。針對地下室部分，需要將1-2跨并入主體，對結構進行整體分析。結合結構動力特性，按規(guī)范選擇3條地震波，開展多遇地震下的動力時程分析。建筑特征周期為0.51s，結構阻尼比為0.05，地震波主分量峰值加速度為35cm/s2。采用天然地震波對建筑底層剪力分析，能夠確認底部剪力墻加強結構可以達到設計性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下層剛度比能夠達到設計要求。而從局部結構受力情況來看，在裙房屋面位置和局部收進位置存在剛度和位移明顯變化，分別位于建筑第7層和第29層。盡管分析得到的指標符合規(guī)范要求，但還應對結構進行加強設計，以免結構發(fā)生突變問題。

2.4 結構抗震設計

為滿足結構抗震設計要求，還要對地震下結構位移展開分析，利用靜力彈塑性分析方法確認結構設計能否達到要求。在結構優(yōu)化中，還要從結構穩(wěn)定性、承載力等各方面采取措施，促使結構性能得到增強。針對結構薄弱位置，還應采取措施進行鞏固，促使結構抗震能力得到提高，為人員生命財產(chǎn)安全提供保障。實際在抗震設計中，一般需設置多道抗震防線，完成建筑抗側(cè)力構件合理布置，保證結構受力均勻[3]。在高層住宅建筑中，還應加強剪重比參數(shù)控制，以便對各樓層最小抗震剪力進行限制，使周期長短和結構安全得到保證。如果周期偏小，與規(guī)范限值存在一定差距，還要對豎向構件剪力進行增強，通過提高構件強度達到結構調(diào)整目標。通過合理的抗震設計，才能使建筑在地震作用下產(chǎn)生的破壞得到最大限度降低。

采用SATWE軟件進行結構分析計算，對地震作用下建筑左、右兩塔的剪力和剪重比展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在X方向上，左塔剪重比為1.88%，右塔剪重比為1.46%。在Y方向上，左塔剪重比為2.08%，右塔剪重比為1.61%。根據(jù)結果可知，左塔底部剪重比較大，能夠滿足規(guī)范要求，右塔剪重比略小于規(guī)范要求。結合結構受力、單元位移等分析結果，可以認為兩部分結構整體剛度比合理，只需要對局部剪重比不達標的樓層進行調(diào)整即可滿足抗震性能設計要求。實際在結構抗震設計中，考慮到轉(zhuǎn)換層位置較高，剪力墻設計需要達到一級抗震要求，設計值達到基礎值的1.6倍以上。在建筑上部結構剛度得到提升的情況下，還要使剪力得到增大，確保上、下部分得到有效協(xié)調(diào)。結合建筑實際情況，在建筑上部結構設計中，還應選用輕質(zhì)隔墻材料，使結構自重得到減輕，促使剛度處于合理范圍。針對轉(zhuǎn)換層與相鄰樓板位置，還應適當增加鋼筋數(shù)量，使關鍵位置結構性能得到提高，促使結構抗扭力強度得到增強。

3 結論

綜上所述，在高層住宅建筑結構設計方面，無論采用哪種結構形式，都應保證結構整體性能可以滿足建筑設計要求，在保證結構穩(wěn)固、安全的基礎上，為建筑建設、使用提供支持。實際在結構設計中，還要做到實現(xiàn)結構合理布局，加強結構受力分析和抗震設計，確保建筑在地震作用下能夠保持結構整體穩(wěn)定，同時減少局部破壞的發(fā)生，為建筑可持續(xù)發(fā)展提供保障。