多層宿舍樓結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文／劉顯旺 中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 天津 300120

引言：

以往多層建筑一般選擇砌體結(jié)構(gòu)，為了提高建筑功能品質(zhì)，學(xué)生或員工宿舍樓樓層3.6m 層高很常見(jiàn)，層數(shù)一般為6～7 層，其總高度往往超過(guò)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)砌體結(jié)構(gòu)最大高度的限值導(dǎo)致不能選擇砌體結(jié)構(gòu)形式。除了砌體結(jié)構(gòu)，根據(jù)國(guó)家規(guī)范規(guī)定，多層結(jié)構(gòu)可選擇的結(jié)構(gòu)體系較多，框架系列的有純框架結(jié)構(gòu)、鋼支撐-混凝土框架、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架核心筒結(jié)構(gòu)，異形柱系列有異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，除了上述結(jié)構(gòu)類(lèi)型，還有純剪力墻結(jié)構(gòu)。雖然以上結(jié)構(gòu)形式都能滿(mǎn)足多層結(jié)構(gòu)的安全性要求，但其安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性需要經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.工程概況及結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選

1.1 工程概況

某中學(xué)公寓樓，屬重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)項(xiàng)目，地上6 層，層高3.6m，室內(nèi)外高差0.45m，房屋總高度為22.05m，抗震設(shè)防烈度為7 度0.10g，場(chǎng)地類(lèi)別三類(lèi)，基本風(fēng)壓0.40kN/m2，基本雪壓0.40kN/m2，不上人屋面。

1.2 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選

1.2.1 砌體結(jié)構(gòu)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，7 度設(shè)防烈度時(shí)采用砌體結(jié)構(gòu)的房屋總高度為21m。其高度超過(guò)顯然不能采用砌體結(jié)構(gòu)形式[1]。

1.2.2 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)根據(jù)抗震設(shè)防烈度6 度、7 度、8 度、8 度半、9 度，其最大限制使用高度分別為60m、50m、40m、35m、24m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在平面布置中具有靈活性和多樣性的特點(diǎn)，在應(yīng)用中不需要設(shè)置承重墻體，可以為建筑創(chuàng)造更大的室內(nèi)空間，但這種結(jié)構(gòu)框架柱截面往往為方柱且其邊長(zhǎng)不低于500mm，導(dǎo)致存在室內(nèi)露柱、露梁等問(wèn)題[2]，影響公寓內(nèi)的使用效果，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)其適用性較差，因此多層在住宅、宿舍、公寓類(lèi)建筑中較少使用。

1.2.3 鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄G 對(duì)這種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)要求做了專(zhuān)門(mén)規(guī)定，其最大適用高度比鋼筋混凝土純框架結(jié)構(gòu)要高，抗震性能比框架結(jié)構(gòu)要好，但由于在住宅類(lèi)建筑尤其是宿舍類(lèi)建筑中難以找到合適的支撐布置位置，其同樣存在框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)露柱、露梁的問(wèn)題，因此在多層住宅、宿舍、公寓類(lèi)建筑中也不適用。

1.2.4 鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)根據(jù)抗震設(shè)防烈度6 度、7 度、8 度、8 度半、9 度，其最大限制使用高度分別為130m、120m、100m、80m、50m。由于其適用高度較高，且同樣存在框架部分在室內(nèi)露柱、露梁的問(wèn)題，這類(lèi)結(jié)構(gòu)往往只用在公共建筑中，在居住建筑中很少采用。

1.2.5 鋼筋混凝土框核心筒結(jié)構(gòu)

由于核心筒剛度極大，鋼筋混凝土框核心筒結(jié)構(gòu)的適用高度更高，往往用在百米高層甚至是超高層的公共建筑中，且由于核心筒占有的面積比例往往較大，用在多層建筑中非常不經(jīng)濟(jì)，框架柱截面也較大，不適用于居住類(lèi)建筑。

1.2.6 鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)，其柱截面形式的厚度尺寸能與墻體保持同厚度，非常好的適應(yīng)居住類(lèi)墻體的布置，但由于異形柱的截面抗扭特性較弱，抗側(cè)移剛度低，結(jié)構(gòu)的抗震性能較差，在高烈度區(qū)往往不建議采用。

1.2.7 鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，通過(guò)異形框架柱避免了室內(nèi)露柱、露梁的問(wèn)題，同時(shí)通過(guò)設(shè)置部分剪力墻增加了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，一定程度增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，但由于異形柱與矩形柱相比其截面特性、內(nèi)力和變形特性有較大不同而導(dǎo)致其抗震性能相對(duì)較差，需要采取特別的抗震措施，其經(jīng)濟(jì)性需要經(jīng)過(guò)比較優(yōu)選。

1.2.8 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)可適用的高度也較高，用于多層結(jié)構(gòu)時(shí)，其抗側(cè)剛度遠(yuǎn)超出相應(yīng)規(guī)范[3-5]的要求，多層居住類(lèi)建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)其墻體厚度可以做成與建筑200mm 厚度墻體一致，保證墻柱不在室內(nèi)突出，很容易滿(mǎn)足建筑的功能要求，而且低烈度區(qū)（抗震設(shè)防烈度 6 度和 7 度）的地震作用較小，可以預(yù)見(jiàn)在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性狀態(tài)時(shí)損傷程度相對(duì)較輕?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于剪力墻的設(shè)計(jì)規(guī)定主要針對(duì)高層剪力墻結(jié)構(gòu)，多層剪力墻結(jié)構(gòu)的配筋往往采用構(gòu)造配筋均能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足受力要求。

本文就這兩種結(jié)構(gòu)形式在多層宿舍類(lèi)建筑中的經(jīng)濟(jì)性合理性進(jìn)行探討，采用某學(xué)生宿舍樓為例進(jìn)行深入對(duì)比分析。擬采用剪力墻結(jié)構(gòu)（方案一）和異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)（方案二），剪力墻結(jié)構(gòu)布置及異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。

2.結(jié)構(gòu)方案分析

2.1 材料及抗震等級(jí)選用

剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件分別采用C30、C40 混凝土，水平構(gòu)件均采用C30 混凝土，鋼筋均采用HRB400 鋼筋。

根據(jù)《抗規(guī)》及《抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》[6]，房屋高度不超過(guò)24m 的重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)項(xiàng)目，抗震等級(jí)應(yīng)按提高一度即8度選取抗震等級(jí)，確定本工程剪力墻抗震等級(jí)應(yīng)為三級(jí)。

根據(jù)《異形柱規(guī)范》[7]及《抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》，房屋高度不超過(guò)28m 的重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)項(xiàng)目，抗震等級(jí)應(yīng)按提高一度即8 度選取抗震等級(jí)，確定本工程剪力墻抗震等級(jí)應(yīng)為一級(jí)，異形柱框架抗震等級(jí)為二級(jí)。

2.2 樓層剛度比

《抗規(guī)》3.4.3-1 條對(duì)于側(cè)向剛度不規(guī)則的定義為：該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個(gè)樓層側(cè)向剛度平均值的80%；從計(jì)算結(jié)果看，兩個(gè)方案結(jié)構(gòu)的各樓層剛度比均大于規(guī)范限值Rat2_min，結(jié)構(gòu)并無(wú)側(cè)向剛度不規(guī)則的情況，且剪力墻方案的剛度比在兩個(gè)方向均略大于異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，因此剪力墻結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)其剛度由底層向頂層遞減的速度更快，而且還滿(mǎn)足規(guī)范要求，因此從樓層剛度比角度來(lái)說(shuō)，剪力墻結(jié)構(gòu)要優(yōu)于異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1及圖2和圖3。

表1 樓層剛度比

圖2 結(jié)構(gòu)X 向樓層剛度比

圖3 結(jié)構(gòu)Y 向樓層剛度比

Ratx1，Raty1（剛度比1）：X、Y 方向本層塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小值。

Ratx2，Raty2（剛度比2）：X、Y 方向本層塔側(cè)移剛度與本層層高的乘積與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度與上層層高的乘積的比值。

2.3 樓層受剪承載力

樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力小于其相鄰上一層受剪承載力的80%為豎向不規(guī)則項(xiàng)。兩個(gè)方案結(jié)構(gòu)的各樓層受剪承載力均大于規(guī)范限值0.8，結(jié)構(gòu)無(wú)軟弱層。剪力墻方案的剛度比各樓層均接近1，X 方向在1.0 和1.06之間，Y 方向在0.91 和1.07 之間，異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受剪承載力則表現(xiàn)為底層較小，上部樓層相對(duì)較大且基本在1.1 附近，表現(xiàn)出明顯的框剪特性，其整體變化幅度比剪力墻結(jié)構(gòu)較大，因此剪力墻結(jié)構(gòu)各樓層受剪承載力較為均勻，異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)雖然也不存在豎向不規(guī)則，相比較而言剪力墻結(jié)構(gòu)受力性能要優(yōu)于異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)情況如表2、圖4、圖5 所示。

表2 各樓層受剪承載力及承載力比值

圖4 結(jié)構(gòu)X 向樓層受剪承載力比（左）圖5 結(jié)構(gòu)Y 向樓層受剪承載力比（右）

2.4 結(jié)構(gòu)周期及振型

表3 所示兩方案的前兩振型均為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)，剪力墻結(jié)構(gòu)X 和Y 向的平動(dòng)均不存在扭轉(zhuǎn)成份，異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的第二振型有2%的扭轉(zhuǎn)成份，說(shuō)明是異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)在抗扭轉(zhuǎn)性能方面相對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)較弱，而X 向結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度比Y 向較長(zhǎng)，則扭轉(zhuǎn)容易在Y向的第二振型上體現(xiàn)出來(lái)；從周期比來(lái)說(shuō)，剪力墻結(jié)構(gòu)的0.583 比異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的0.612 明顯較小，從第一周期來(lái)說(shuō)，前者的0.9198 比后者的0.8879 較大說(shuō)明前者剛度較大，上述幾個(gè)方面均說(shuō)明剪力墻結(jié)構(gòu)的抗扭性能比異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)較好，但整體來(lái)說(shuō)兩方案的扭轉(zhuǎn)相對(duì)較輕，抗扭轉(zhuǎn)性能均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 結(jié)構(gòu)周期及振型方向

2.5 地震作用下結(jié)構(gòu)樓層的剪力

從表4 及圖6、圖7 可以看出，X 向兩方案的樓層地震剪力非常接近，剪力墻還略小于異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，X 向兩方案的樓層地震剪力則是剪力墻明顯較高，這主要取決于各自結(jié)構(gòu)的自重、剛度及受剪承載力的分布，說(shuō)明剪力墻結(jié)構(gòu)的自重和剛度均較大，計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際。

表4 地震工況樓層剪力統(tǒng)計(jì)

圖6 結(jié)構(gòu)X 向樓層地震剪力(左）圖7 結(jié)構(gòu)Y 向樓層地震剪力（右）

2.6 地震作用下豎向構(gòu)件傾覆力矩

從表5、表6 及圖8、圖9 可以看出，X 向剪力墻方案傾覆力矩小于異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，而Y 方向則相反，前者底層總彎矩為X方向63188.4kN.m、81413.4kN.m，后者Y 方向64653.6kN.m、71349.2kN.m，說(shuō)明剪力墻結(jié)構(gòu)X、Y 兩方向的剛度差距相對(duì)較大，而后者兩方向剛度相對(duì)接近，工程中的剪力墻結(jié)構(gòu)方案在Y 向剪力墻有優(yōu)化的空間，從結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算結(jié)構(gòu)也能驗(yàn)證這一點(diǎn)。

表5 X 向地震工況下的傾覆力矩（單位 kN.m）

表6 Y 向地震工況下的傾覆力矩（單位 kN.m）

2.7 變形驗(yàn)算型

方案一的所有工況下結(jié)構(gòu)各樓層X(jué) 方向的最大位移比及層間位移比為1.02，Y 方向的最大位移比及層間位移比為1.21、X 方向的最大樓層位移角為1/1184，Y 方向的最大樓層位移角為1/1541，均滿(mǎn)足規(guī)范要求并接近規(guī)范限值，Y 向剪力墻有優(yōu)化的空間。

方案二的所有工況下結(jié)構(gòu)各樓層X(jué) 方向的最大位移比及層間位移比為1.03，Y 方向的最大位移比及層間位移比為1.26、X 方向的最大樓層位移角為1/877，Y 方向的最大樓層位移角為1/945，均滿(mǎn)足規(guī)范要求并接近規(guī)范限值。

3.兩方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

由于房間大小及梁布置均相同，故板配筋應(yīng)一樣，本表不統(tǒng)計(jì)樓板配筋。統(tǒng)計(jì)建筑面積均為7650m2，根據(jù)最近市場(chǎng)信息價(jià)，鋼筋綜合造價(jià)按4500 元/噸，C30 造價(jià)為469 元/m3，C40 造價(jià)為491 元/ m3。

根據(jù)表7 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的混凝土用量0.210m3/m2比剪力墻結(jié)構(gòu)0.237m3/m2要低12%，但由于異形柱體系的抗震等級(jí)較高，軸壓比要求很?chē)?yán)格，其豎向構(gòu)件的混凝土標(biāo)號(hào)需提高，最終造價(jià)僅相差不到10%。而鋼筋用量方面，也是因?yàn)楫愋沃Y(jié)構(gòu)體系抗震等級(jí)比剪力墻結(jié)構(gòu)體系的高出兩級(jí)，導(dǎo)致異形柱框架剪力墻的豎向及水平抗震構(gòu)件的含鋼量23.93kg/m2比剪力墻結(jié)構(gòu)19.48kg/m2高出約4.5 kg/m2，鋼筋含量造價(jià)高出達(dá)到23%?？傇靸r(jià)方面異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)要比剪力墻結(jié)構(gòu)高出5%，約合每平米高出10.6 元。

表7 鋼筋及混凝土造價(jià)對(duì)比

結(jié)語(yǔ)：

通過(guò)對(duì)6 層宿舍樓的兩種結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，兩種結(jié)構(gòu)體系均可以很好的滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，整體抗震性能剪力墻結(jié)構(gòu)比異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)要好，經(jīng)濟(jì)性方面異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)要比剪力墻結(jié)構(gòu)混凝用量稍低，低約10%，但含鋼量高出4.5 公斤/m2，單位面積鋼筋造價(jià)高出達(dá)到23%，鋼筋混凝土總造價(jià)高出5%，約合10.6 元/m2，因此這種多層宿舍樓若超出砌體結(jié)構(gòu)限制高度后，應(yīng)優(yōu)先選擇剪力墻結(jié)構(gòu)，無(wú)論是抗震性能還是經(jīng)濟(jì)性都比異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)要好。