城市躍層住宅建筑結(jié)構(gòu)抗震性能分析

都來(lái)盼，王鑫，程旭，韋雅妮，李慧峰

（西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，云南昆明 650224）

0 引言

近年來(lái)，城市建設(shè)高速發(fā)展，設(shè)計(jì)師更多注重建筑容積率和建筑密度等指標(biāo)，以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益，這就導(dǎo)致對(duì)私人的開放空間減少，公共開放空間不足。在房地產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)的背景下，標(biāo)準(zhǔn)化住宅成為主流，住宅設(shè)計(jì)大多雷同?；诳沙掷m(xù)發(fā)展要求，提高住宅的靈活性、舒適性，滿足人性化宜居的建筑理念，成為住宅發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)此，很多學(xué)者開展了研究。Tokazhanov, Galym等人[1]通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)生活空間方式，給居民提供更多的健康、安全、舒適空間，既滿足人性化宜居還能給社會(huì)和環(huán)境帶來(lái)綜合效益。鄭慧瑾等人[2]和邵郁等人[3]認(rèn)為住宅不能只呈現(xiàn)千篇一律的房地產(chǎn)范式，要讓住宅開放，回歸自然，營(yíng)造公共空間，提高住宅的人性化設(shè)計(jì)。本文基于人性化理念進(jìn)行躍層住宅的建筑方案設(shè)計(jì)，給出兩種與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)布置方式，并對(duì)其進(jìn)行受力分析，旨在保證住宅結(jié)構(gòu)安全的前提下，提高其空間靈活性，讓住宅融入自然，更好地體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，跳出單一的鳥籠式“標(biāo)準(zhǔn)化”住宅模式。

1 人性化宜居住宅建筑與結(jié)構(gòu)選型

1.1 建筑選型

我國(guó)各城市中目前存在較多的居住建筑形式有：別墅、四合院、多層居住建筑及高層居住建筑等，其中更為舒適且更能滿足人們需求的建筑形式為別墅。獨(dú)棟別墅一般是二到三層，房間可以滿足不同功能需求，客廳不僅寬敞而且一至二樓挑空，擁有私家花園。但獨(dú)棟別墅建造用地較大，不僅價(jià)格較高且受土地指標(biāo)限制不能普遍推廣。其建筑一般獨(dú)立分布在郊區(qū)或者鄉(xiāng)村，與城市的交通和生活配套設(shè)施距離較遠(yuǎn)，日常生活方便程度較差。

本文在此基礎(chǔ)上提出了一種城市躍層住宅建筑方案。不僅可以讓生活和交通更便利，還能讓住宅內(nèi)部空間靈活、可變，滿足住房的人性化居住需求。躍層建筑一戶擁有兩層建筑面積，聯(lián)排之間四戶共同擁有一個(gè)12～18m寬大平臺(tái)。建造時(shí)可以在平臺(tái)種植喬本、灌木叢綠植、讓住宅與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，創(chuàng)造出人性化宜居、健康、舒適的居住環(huán)境。同時(shí)在平臺(tái)可以適當(dāng)安裝健身運(yùn)動(dòng)設(shè)施，讓住戶體驗(yàn)出門即可健身的便捷。重大節(jié)日時(shí)，兩側(cè)居民可在平臺(tái)集體聚餐，促進(jìn)鄰里關(guān)系?；谝陨详U述，給出一種建筑方案平面布置圖如圖1所示；建筑效果圖如圖2所示。

圖2 建筑效果圖

圖1 為1—18層全躍層式高層住宅方案，一戶一梯，出電梯即到大平臺(tái)，入戶位置可根據(jù)用戶使用情況設(shè)計(jì)入戶花園。為保障不同時(shí)間段的采光，建筑可選擇東西朝向，還可將一樓起居室上方挑空增加室內(nèi)的光照、亮度。全躍層建筑下層設(shè)置起居室、餐廳、廚房，以及公共衛(wèi)生間，上層主要是休息和辦公區(qū)域，住戶可根據(jù)自己的需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行室內(nèi)空間調(diào)整，充分利用躍層建筑多一個(gè)房間多一個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)選型，讓空間內(nèi)部靈活、可變、舒適，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

本文基于人性化宜居的理念，讓住戶更好地參與到住宅內(nèi)部空間的設(shè)計(jì)中，給出了兩種結(jié)構(gòu)選型，剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻結(jié)構(gòu)是一種常見的抗震結(jié)構(gòu)形式，墻體一般布置在建筑的外圍，或者內(nèi)部設(shè)置一些具有一定厚度和剛度的墻體，可以很好地抵抗水平力和結(jié)構(gòu)側(cè)移。剪力墻結(jié)構(gòu)室內(nèi)需要布置剪力墻，導(dǎo)致空間靈活性差，住戶想要根據(jù)生活需求變化改變空間布局時(shí)，會(huì)受到內(nèi)部剪力墻限制，不能隨意隔斷?？紤]此情況，本文提出采用躍層設(shè)計(jì)以滿足空間的人性化需求，在空間的布局上更多體現(xiàn)出多一個(gè)房間多一個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)。剪力墻結(jié)構(gòu)的墻體布置如圖3所示。

圖3 剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置

框剪-剪力墻結(jié)構(gòu)，是一種非常成熟的抗震結(jié)構(gòu)形式。既有框架結(jié)構(gòu)的剛性和強(qiáng)度，又能利用剪力墻來(lái)吸收地震荷載，抗震性能較好，空間利用率也高?？紤]到住宅空間的靈活性，及人性化宜居要求，剪力墻盡量布置在邊跨上，戶型內(nèi)部設(shè)置柱子。這樣可以讓住戶根據(jù)需求和應(yīng)用場(chǎng)景變化改變空間布局?？蚣艚Y(jié)構(gòu)的平面布置如圖4所示。

圖4 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置

2 工程概況及結(jié)構(gòu)體系

2.1 工程概況

某住宅建筑工程位于云南省昆明市城區(qū)，地震設(shè)防烈度為8度（0.2 g），場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40 s；地面粗糙程度為B類，基本風(fēng)壓0.30 kN/m2，設(shè)計(jì)年限50年。地上部分為18層，聯(lián)排之間在奇數(shù)層設(shè)置大平層。

2.2 結(jié)構(gòu)抗側(cè)體系

剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)平面尺寸為28.2 m×34.6 m，高寬比為1.56，奇數(shù)層平臺(tái)面寬12 m，進(jìn)深28.2 m。豎向構(gòu)件混凝土等級(jí)為C35～C40，墻寬為200～250 mm。水平構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35～C40，其中連體樓板混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C30～C35。結(jié)構(gòu)采用只設(shè)置主梁的梁板體系，梁的主要尺寸為250×600 mm或200×600 mm。

框架剪力墻結(jié)構(gòu)平面尺寸與剪力墻相同，豎向構(gòu)件的混凝土等級(jí)為C35～C40，柱子的主要尺寸為600×600 mm，連體平臺(tái)最大柱尺寸為700×600 mm，其余尺寸為600×600 mm，剪力墻墻厚250～300 mm。

2.3 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ3—2010[4]（簡(jiǎn)稱“高規(guī)”）中相關(guān)條文規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，結(jié)構(gòu)抗震性能分為1—5五個(gè)水準(zhǔn)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2010[5]的規(guī)定，B類建筑包括居住建筑，在地震作用下雖然可以出現(xiàn)輕微的破壞，但不應(yīng)該發(fā)生倒塌或嚴(yán)重破壞，必須保證其功能的持續(xù)性和可恢復(fù)性。

按照高規(guī)相關(guān)條文規(guī)定，該建筑屬于不規(guī)則結(jié)構(gòu)，參考抗震性能目標(biāo)定為B級(jí)，多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震性能水準(zhǔn)分別為1、2、3級(jí)。主要構(gòu)件性能目標(biāo)見表1。

表1 構(gòu)件性能目標(biāo)

3 結(jié)構(gòu)抗震分析與計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)的自振特性

采用PMSAP軟件計(jì)算了結(jié)構(gòu)的自振特性。在軟件中建立模型定義豎向和水平荷載工況。結(jié)構(gòu)前三階周期如表2所示，結(jié)構(gòu)周期比滿足高規(guī)周期比小于0.9的限值要求。

表2 兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果對(duì)比

3.2 多遇地震分析

采用PKPM軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)在地震作用及風(fēng)荷載作用的層間位移角和位移比進(jìn)行驗(yàn)算。由表3可知，兩種結(jié)構(gòu)的最大層間位移角、層間位移比均滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。最大位移比為規(guī)定水平力下的最大扭轉(zhuǎn)位移比[6]，均小于1.5。

表3 結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)

表4 剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

表5 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析結(jié)果

3.3 多遇地震彈性時(shí)程分析結(jié)果

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010[5]規(guī)定，該工程在進(jìn)行多遇地震進(jìn)行彈性時(shí)程分析時(shí)，選用5天天然波和兩條人工波，地震波峰值主方向70 cm/s2，次方向59.5 cm/s2。經(jīng)驗(yàn)算滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。

剪力墻結(jié)構(gòu)在X方向下的振型分解反應(yīng)譜下的基底剪力為7955.02 kN，每條地震波下的基底剪力/振型分解反應(yīng)譜的基底剪力比值在74%～108%＞65%，時(shí)程平均值為7382.96 kN，比值為93%＞80%，均滿足規(guī)范要求。Y方向下的每條地震波比值范圍是72%～110%＞65%，時(shí)程平均值為9753.72kN，比值為91%＞80%，均滿足規(guī)范要求?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)在X方向每條時(shí)程分析地震波的比值范圍68%～98%＞65%，時(shí)程平均值/振型分解反應(yīng)譜為86%＞80%，Y方向每條時(shí)程地震波/振型分解反應(yīng)譜比值為96%＞80%，均滿足滿足規(guī)范要求。兩種結(jié)構(gòu)在彈性時(shí)程分析下的層間位移角如圖4、圖5所示，均滿足規(guī)范要求。

圖5 剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角

3.4 大震彈塑性時(shí)程分析

采用非線性隱式動(dòng)力分析軟件EPDA進(jìn)行結(jié)構(gòu)在大震作用下的彈塑性分析，分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的大震和小震情況，在軟件中直接輸入不同的地震波，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)是否滿足罕遇地震作用下彈塑性變形要求。剪力墻結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析選用兩條天然波TH2TG045、CHALFANTVALLEY-02和一條人工波RH3TG045。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)選擇兩條天然波TH028TG045、TH031TG045和一條人工波RH3TG045。持時(shí)均為30s主方向地震波峰值加速度為400 cm/s2，次方向取340 cm/s2。

據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，兩種結(jié)構(gòu)層間彈塑性位移角均滿足規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)主要的抗側(cè)構(gòu)件均未出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，豎向構(gòu)件一般處于彈性狀態(tài)，框架梁、連梁等耗能構(gòu)建部分僅處于輕度破壞狀態(tài)，均滿足結(jié)構(gòu)預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文基于人性化理念提出宜居躍層建筑，通過(guò)連體大平臺(tái)設(shè)計(jì)，在平臺(tái)上設(shè)計(jì)綠植放置健身設(shè)施，將住宅融入到大自然中。結(jié)合建筑方案設(shè)計(jì)兩種結(jié)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)住宅的全周期、可變、舒適、安全，又兼容各種活動(dòng)需求。住宅內(nèi)部可以采用可持續(xù)材料進(jìn)行隔斷，既可回收再利用又能輕松拆卸和搬遷。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行受力分析，通過(guò)結(jié)果查看，設(shè)計(jì)連體大平層住宅在小震、中震、大震等不同工況下均保持良好的受力狀態(tài)，連接平臺(tái)躍層建筑抗震性能滿足預(yù)設(shè)的性能目標(biāo)，為以后中高層宜居住宅建筑的人性化設(shè)計(jì)提供了思路和方向。