淺談高層住宅結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

陶鵬 邱檸 唐建

摘 要 研究表明，現(xiàn)在的日常生活中框架剪力墻結(jié)構(gòu)在高層住宅結(jié)構(gòu)中開始被廣泛的使用，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要科學(xué)把握異形柱和剪力墻的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的布置，最大程度發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗震性能。本文主要分析了剪力墻的結(jié)構(gòu)布置原則及優(yōu)缺點(diǎn)，為了逐漸提高高層建筑的抗震性能。

關(guān)鍵詞 異形柱框架結(jié)構(gòu);剪力墻;抗震;高層住宅

引言

隨著人口的快速增長，人們經(jīng)濟(jì)收入和生活質(zhì)量不斷提升，人們對住宅的要求不再是農(nóng)耕時代的有房可居這樣簡單，城市化進(jìn)程的不斷加快，建設(shè)需要的用地變得越來越緊張，在該背景下，高層建筑逐步也是必然增多。在現(xiàn)在的高層建筑建設(shè)中，框剪結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各個項(xiàng)目中，因?yàn)榭蚣艚Y(jié)構(gòu)可以靈活進(jìn)行空間排布，并且抗側(cè)力大。本文簡單分析一下異形柱框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1異形柱框架結(jié)構(gòu)

1.1 鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的定義及特點(diǎn)

鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)是指框架柱全部或部分采用肢長與肢厚比在2～4的L形、T形、十字形截面柱與梁、樓板形成柱子不露在外面的隱形框架承重結(jié)構(gòu)，并且采用輕質(zhì)隔墻作為隔熱、保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)[1]，如圖1所示：

這種結(jié)構(gòu)有著很多顯而易見的優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高房間的有效面積比。異形柱框架結(jié)構(gòu)能夠避免因?yàn)椴捎镁匦沃纬傻闹悖瑥亩狗块g整體的視覺效果和平面布置得到了極大改善，因而受到了用戶的廣泛喜愛。該體系的優(yōu)點(diǎn)是異形柱的肢寬與墻厚相等或稍寬，經(jīng)大數(shù)據(jù)計算，這種結(jié)構(gòu)與普通的框架結(jié)構(gòu)相比，能夠增加使用面積在5%～10%左右。

（2）提高房間的使用質(zhì)量。使得室內(nèi)的空間更加整齊，家具更加容易擺設(shè)，尤其如果是在層數(shù)較多的情況下，如果采用矩形柱的形式，柱子必然會外露較多，房間整體的居住和使用效果將會受到相當(dāng)大程度的限制，并且不美觀。

（3）條件允許的情況下可以使用新型墻體材料。由于是框架承重，墻體可采用輕質(zhì)墻體材料碎渣磚、粉煤灰加氣混凝土砌塊等，一方面可以節(jié)約耕地，為農(nóng)民作出貢獻(xiàn);另一方面大量利用工業(yè)廢料，還可以減少污染，凈化環(huán)境，為國家的環(huán)境建設(shè)做貢獻(xiàn)。

（4）實(shí)現(xiàn)住宅大開間模式。由于采用全框架的結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)相比，能夠獲得相對較大的使用空間，滿足接待、學(xué)習(xí)、居住、工作等等多個方面的功能要求，而且墻體均采用填充墻，可用輕質(zhì)墻體材料按照住戶要求任意分隔，墻下可以不設(shè)置梁，在極大程度上地滿足了住戶的個性化需求。

（5）減小地震的作用，減少花在基礎(chǔ)上的費(fèi)用。因?yàn)椴捎幂p質(zhì)墻體材料，大幅度的減小了結(jié)構(gòu)自重，從而地震作用減小， 減少地基基礎(chǔ)處理費(fèi)用，進(jìn)一步降低了工程施工成本。

（6）極大程度改善建筑的物理性能。使用新型墻體材料，實(shí)踐表明，輕質(zhì)隔墻的隔聲、隔熱等效果比傳統(tǒng)的磚墻要優(yōu)秀很多。

（7）抗震性能相對較好。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對城市地震的管理和保護(hù)人民的生命和財產(chǎn)的保護(hù)，國家對新的城市建筑的地震設(shè)計提出了更嚴(yán)格的要求，再次強(qiáng)調(diào)在抗震設(shè)防區(qū)磚混結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計時必須嚴(yán)格執(zhí)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，嚴(yán)格限制了傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)的層數(shù)及高度。但隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市的建筑用地越來越緊張，導(dǎo)致土地的征地價格日益上漲，開發(fā)商及建設(shè)單位在進(jìn)行住宅建設(shè)時都傾向于在有限的土地內(nèi)獲得更經(jīng)濟(jì)的建筑面積，在底層一般為正負(fù)零以下盡可能設(shè)計出較大的空間最好是設(shè)置商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)，來解決社區(qū)內(nèi)的大部分服務(wù)問題，所以增加如今建筑的層數(shù)及高度是必然的，傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)房屋工程造價比較低，但是抗震性能相對較差，顯然逐漸已不能滿足人們?nèi)找鎳?yán)格的要求。異形柱框架結(jié)構(gòu)體系自然成為一種替代傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)的體系，基本能夠滿足上述條件，還可以滿足如今住宅建筑房間開間大，室內(nèi)分隔布置靈活，陽臺洞口盡可能大的條件。異形柱框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能也顯然優(yōu)于傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)建筑，在不限高的地區(qū)也能建造的相對高一些，并且其工程成本比一般框架結(jié)構(gòu)更低，相對效益好?？偟膩碚f，異形柱框架結(jié)構(gòu)就是一種工程成本低，抗震性能好，能夠適應(yīng)如今城市住宅建筑日益發(fā)展需要的相對優(yōu)秀的新型結(jié)構(gòu)體系。

1.2 異形柱設(shè)計的一般規(guī)定

按現(xiàn)有的計算水平，想要計算地震作用的精確數(shù)值是還有一些難度的， 異形柱框架結(jié)構(gòu)體系具有特別的力學(xué)特性。

（1）結(jié)構(gòu)豎向布置。異形柱框架結(jié)構(gòu)體系沿豎向的剛度變化和質(zhì)量分布應(yīng)相對均勻，避免出現(xiàn)過大的懸挑、內(nèi)收，從而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度發(fā)生突變的情況，以及產(chǎn)生薄弱層塑性變形集中的現(xiàn)象?，F(xiàn)有研究數(shù)據(jù)表明， 異形柱框架結(jié)構(gòu)體系在一般情況下最下層是薄弱層，可以通過在底層設(shè)置縱、橫向設(shè)支撐的方法來控制薄弱層。

（2）結(jié)構(gòu)平面布置。在一個相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元中，異形柱框架應(yīng)雙向布置，整體的平面形狀應(yīng)規(guī)則、對稱，質(zhì)量和剛度宜均勻分布，最大程度達(dá)到房屋的剛度中心和質(zhì)量中心重合的效果，這樣能夠最大程度上減小因?yàn)榕ち淼膶Y(jié)構(gòu)的負(fù)面影響，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[2]。

2剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)整體性能良好，具有較高的經(jīng)濟(jì)性、較優(yōu)秀的空間連接性。剪力墻結(jié)構(gòu)較大的側(cè)向剛度，決定了這種結(jié)構(gòu)在水平作用力下產(chǎn)生的位移較小。如今在進(jìn)行城市高層建筑設(shè)計時通常會規(guī)劃相對多的使用空間，每一塊使用空間自身的功能都很明確，隔墻將使用房間和客廳分割成各種小的空間，更加人性化。現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了承重墻和分隔墻的科學(xué)合并，使高層建筑的整體經(jīng)濟(jì)效益在很大程度上有了提高。另一方面，高層建筑使用剪力墻結(jié)構(gòu)可以使房間內(nèi)的梁和柱隱藏，室內(nèi)可用空間增加，室內(nèi)整體的美觀程度會有很大的改善。剪力墻的結(jié)構(gòu)形式相對簡單，房間布置相對容易，和框架結(jié)構(gòu)作比較，剪力墻的結(jié)構(gòu)形式可以承載更重的豎向荷載和水平荷載的作用力。所以，現(xiàn)代高層建筑建設(shè)中廣泛應(yīng)用該技術(shù)。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

上面簡單分析了剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，不過同時剪力墻結(jié)構(gòu)肯定也有一些缺點(diǎn)，比如：剪力墻結(jié)構(gòu)中大部分為混凝土澆筑的墻體，這樣就必然增加了建筑物重量，在抗震性能上有不利影響，雖然剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大，不過必然也會產(chǎn)生相對較大的地震作用。另一方面剪力墻結(jié)構(gòu)形式中，配筋率較低，很大程度上降低了結(jié)構(gòu)的延展性，很大程度上限制了結(jié)構(gòu)承載能力的發(fā)揮[3]。

3剪力墻的結(jié)構(gòu)布置

簡單分析一下剪力墻的結(jié)構(gòu)布置，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，墻體的整體布置原則一般是沿著主軸方向和其它方向雙向布置，盡量不出現(xiàn)單向布置的情況，這樣是為了在整體的空間性能表現(xiàn)更好，使兩個方向的抗側(cè)剛度差距盡可能的小。另一方面，在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，往往將墻肢設(shè)計成T或者L形，還要確保設(shè)計的墻肢軸壓比最大程度的偏小，再通過增加縱筋和箍筋的配筋率的方法來增強(qiáng)墻肢的抗震性能，嚴(yán)禁出現(xiàn)“一”字形剪力墻。最后，為了保證高層住宅建筑整體的安全性和實(shí)用性，高厚比通常設(shè)計在8以上。

在剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，要盡量不出現(xiàn)樓面主梁放在剪力墻上的情況，如果實(shí)在無法避免出現(xiàn)這種情況，可以通過在剪力墻相應(yīng)部位設(shè)置暗柱的方法來解決。關(guān)于墻肢方面，墻肢的截面要設(shè)計的盡量簡單、規(guī)則，擁有的豎向剛度應(yīng)盡可能均勻分布，在墻上的開洞的洞口縱向應(yīng)對齊、成列排布，墻肢和連梁應(yīng)該盡量清楚。另一方面，在設(shè)計剪力墻的時候，如果出現(xiàn)梁高大于 2.5 倍墻身厚度的情況，暗轉(zhuǎn)配筋率應(yīng)該確保正確計算，同時還要確保轉(zhuǎn)角處墻肢足夠長，如果有條件的情況下，可以在轉(zhuǎn)角處設(shè)置兩個長度足夠長的墻肢。另一邊也要保證墻身厚度要大于160mm，應(yīng)該通過合理使用構(gòu)造配筋的方法來讓剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能有效提高[4]。

4結(jié)束語

綜上，異形柱框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)大概就是上述這些內(nèi)容。地震是不可準(zhǔn)確預(yù)測的自然災(zāi)害，一旦發(fā)生震級較大的地震將會對人民的生活財產(chǎn)造成極大的損失，零八年的汶川地震每個人都有所耳聞甚至親身經(jīng)歷過，所以本文認(rèn)為如今的建筑尤其是住宅在抗震性能方面一定要做好，要想在抗震方面做得越來越好，在進(jìn)行建筑的抗震設(shè)計時就應(yīng)充分考慮各方面的因素，從而為人們的生命財產(chǎn)安全做好保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 田利芳.小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系抗震及經(jīng)濟(jì)性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[2] 楊宇.高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要點(diǎn)[J].建筑設(shè)計管理，2010，27（3）：40-42.

[3] 趙琳琳，吳楓南.高層住宅中框剪結(jié)構(gòu)剪力墻抗震設(shè)計[J].門窗，2017（12）：150.

[4] 佚名.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[ED/OL].http：//www.civilcn.com/jiegou/jglw/lilun/1502351019328371.html，2017-8-10.