淺析小高層建筑結(jié)構(gòu)型式

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1緒言

　　目前，在浙江沿海各大城市，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的進(jìn)一步深入，城市居民對(duì)住房要求日益提高。但城市土地資源的稀缺勢(shì)必要求住宅向高層發(fā)展，其中小高層住宅日益成為業(yè)主及用戶(hù)的首選。

　　對(duì)小高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的是結(jié)構(gòu)選型的問(wèn)題，到底何種結(jié)構(gòu)體系在適用性、經(jīng)濟(jì)性、抗震性能等幾方面為最佳呢？本文就以某小區(qū)為例，對(duì)目前普遍采用的幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析比較，以期拋磚引玉，為工程同行及業(yè)主在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段確定結(jié)構(gòu)選型時(shí)，提供參考。

　　2結(jié)構(gòu)方案概述

　　某小區(qū)的某幢住宅，十二層，一梯兩戶(hù)兩單元，對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，層高均為2.90m，建筑物總高34.80m，長(zhǎng)34.20m，寬14.70m，每層面積490㎡，總面積5880㎡，抗震烈度為6度，場(chǎng)地土類(lèi)別為三類(lèi)，基本風(fēng)壓：0.60kn/m，采用“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件”（SATWE）程序及有關(guān)規(guī)范對(duì)不同的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算并分析比較。

　　2．1框架結(jié)構(gòu)

　　此方案的特點(diǎn)是一般用于多層結(jié)構(gòu)及小高層結(jié)構(gòu)，適用高度范圍一般為60.0m以下（6度設(shè)防）?？蚣芙Y(jié)構(gòu)布置靈活，具有較大的室內(nèi)空間，使用較為方便。填充墻可采用輕質(zhì)隔墻，減輕結(jié)構(gòu)自重。但內(nèi)凸的框架柱直接影響到戶(hù)型的實(shí)際使用面積及家具布置。

　　2．2異型柱框架結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式，它除了具有框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)外，與墻同寬的異型柱很好地解決了建筑平面使用問(wèn)題。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《砼異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJl49－2006第3.1.2條抗震設(shè)計(jì)為6度時(shí)，異型柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度為24m，本工程建筑總高為34.80m.故不宜采用異型柱框架結(jié)構(gòu)。

　　2．3框架剪力墻結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)體系一般用于高層結(jié)構(gòu)，在近幾年的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載。這種結(jié)構(gòu)既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活，使用方便的特點(diǎn)，又具有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力。但內(nèi)凸的框架柱同樣影響到戶(hù)型的實(shí)際使用面積及家具布置。

　　2．4異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)體系是框架剪力墻的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小。同時(shí)，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問(wèn)題。

　　2．5普通剪力墻結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)體系一般用于高層結(jié)構(gòu)住宅，尤其在30層左右的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。此方案的特點(diǎn)是根據(jù)建筑平面布局而設(shè)置鋼筋砼墻，與墻同寬的剪力墻很好地解決了建筑平面使用問(wèn)題。

　　該總高度僅34.8m，抗震設(shè)防烈度為6度區(qū)，若采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，造價(jià)高，故不作為該工程的首選結(jié)構(gòu)類(lèi)型。

　　2．6短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

　　此方案的特點(diǎn)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑平面布置，在建筑物凹凸轉(zhuǎn)角處布置各種行式的短墻肢，主要形式有：—型、Y型、＋型、T型、Z型、Y型等。因采用這種結(jié)構(gòu)體系時(shí)，將中部的電梯間、樓梯間和管道井四周的剪力墻組成筒體結(jié)構(gòu)，四周布置短肢剪力墻，也可根據(jù)需要布置一些長(zhǎng)肢墻，所以結(jié)構(gòu)布置極為靈活，基本上能根據(jù)建筑的要求布置豎向受力構(gòu)件。

　　3結(jié)構(gòu)抗震性能的比較

　　3．1框架結(jié)構(gòu)

　　一般用于多層及小高層結(jié)構(gòu)，即10層以下或建筑物高度H小于28.0m，對(duì)H大于30.0m的框架結(jié)構(gòu)，在抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū)，《高規(guī)》第4.8.2條規(guī)定，抗震等級(jí)為三級(jí)，SATWE程序計(jì)算結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在水平荷載（風(fēng)荷載及地震荷載）的作用下，水平位移及層間位移為最大（1/1200）；由于框架柱作為唯一的抗水平力構(gòu)件，軸壓比限值為0.90，故框架柱截面尺寸較大，內(nèi)凸的框架柱直接影響到戶(hù)型的實(shí)際使用面積及家具布置。而且，最為嚴(yán)重的是，由于建筑的平面使用或立面造形的要求，經(jīng)常出現(xiàn)框架兩一端擱置在柱上，另一端擱置在梁上；或幾根框架柱并不在一條軸線(xiàn)上，往往出現(xiàn)單跨框架的現(xiàn)象，成為抗震薄弱環(huán)節(jié)。所以，在考慮抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)中，由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，特別是采用砌體填充墻時(shí)，地震中填充墻損壞嚴(yán)重，修復(fù)費(fèi)用很高。故對(duì)高層結(jié)構(gòu)不宜采用。

　　3．2異型柱框架結(jié)構(gòu)

　　異型柱在受剪承載力、節(jié)點(diǎn)承載力和延性等受力性能方面比普通矩形柱差，在水平地震作用下，柱內(nèi)鋼筋的粘結(jié)錨易遭受破壞，對(duì)抗震性能有不利影響。因此，鋼筋砼異型柱框架及框架抗震墻結(jié)構(gòu)的房屋應(yīng)在一定的高度及適用范圍內(nèi)應(yīng)用，而不能等同于一般的鋼筋砼結(jié)構(gòu)。根據(jù)《砼異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》適用于總高度小于24m的房屋。當(dāng)建筑的高度較高時(shí)，異形柱無(wú)法滿(mǎn)足軸力和抗側(cè)力的要求。所以，異型柱框架結(jié)構(gòu)相比較而言，抗震性能為最差。

　　3．3框架剪力墻結(jié)構(gòu)

　　一般用于高層結(jié)構(gòu)，在近幾年的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小，軸壓比限值較框架結(jié)構(gòu)放寬，但考慮框架柱的構(gòu)造要求，及實(shí)際計(jì)算中若軸壓比大于0.90，則柱配筋較大，所以在小柱網(wǎng)的住宅中，與框架結(jié)構(gòu)相比，柱截面尺寸與不可能小很多，同樣存在上述建筑使用問(wèn)題。

　　3．4異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)

　　這種結(jié)構(gòu)體系是框架剪力墻的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式，此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小。同時(shí)，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問(wèn)題。6度地區(qū)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)總高度不得超過(guò)45.0m，柱中距不大于7.20m.抗震等級(jí)之所以異形柱有上述的限制條件，主要是異形柱的肢長(zhǎng)較短，當(dāng)建筑的高度較高時(shí)，異形柱無(wú)法滿(mǎn)足軸力和抗側(cè)力的要求。在6度設(shè)防地區(qū)，建筑物高度大于18.0m抗震等級(jí)即為三級(jí)，這點(diǎn)較框架結(jié)構(gòu)（60.0m）嚴(yán)格。

　　3．5普通剪力墻結(jié)構(gòu)

　　一般用于高層結(jié)構(gòu)住宅，尤其在30層左右的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。此方案的特點(diǎn)是根據(jù)建筑平面布局而設(shè)置鋼筋砼墻，適當(dāng)部位開(kāi)結(jié)構(gòu)洞，以輕質(zhì)填充墻代替，以減輕結(jié)構(gòu)自重及工程造價(jià)，可使各墻段剛度均勻，抗震性能好，水平位移及層間位移大大減小，尤其在戶(hù)型的實(shí)際使用面積及家具布置中。

　　3．6短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

　　由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多，為安全起見(jiàn)，對(duì)這種結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最大適用高度、使用范圍、抗震等級(jí)、墻肢厚度、軸壓比、截面剪力設(shè)計(jì)值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴(yán)格的限制。

　　4計(jì)算結(jié)果的比較

　　對(duì)以上所述六種結(jié)構(gòu)形式，本人統(tǒng)一采用“建科院SATWE”進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列表表示。

　　根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果：

　　4．1地震周期

　　框架結(jié)構(gòu)最大（T1=1.6463S），短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最小，異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)次之，其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然，這是與結(jié)構(gòu)的剛度有直接關(guān)系。

　　4．2水平地震剪力

　　框架結(jié)構(gòu)最小（1347.77f），短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最大，異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)次之，其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然，這是與結(jié)構(gòu)的地震周期是一致的。

　　4．3最大層間位移

　　框架結(jié)構(gòu)最大（Dx/h=1/455），短肢剪力墻結(jié)構(gòu)次之（1/3591），其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然，這是與結(jié)構(gòu)的剛度是一致的。

　　4．4結(jié)構(gòu)自重

　　框架結(jié)構(gòu)最大，其余結(jié)構(gòu)相差不大（約8300t）?；钶d相差不大（約600t）。恒載占總重量的百分比為93％以上，故在高層計(jì)算中，一般可不考慮恒活最不利組合，這對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)影響。

　　4．5砼用量

　　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大（約146m3），其余結(jié)構(gòu)相差不大（約1333）。相差了146/13.1=1.1倍。

　　4．6鋼筋用量

　　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大（約18.5f），其余結(jié)構(gòu)相差不大（約16.0t）。相差了18.5/16.0=1.15倍。這是由于前者結(jié)構(gòu)的最小配筋率要求較高。

　　4．7工程造價(jià)

　　短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異

　　型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大（約405元/m³），框架結(jié)構(gòu)最?。?49元／㎡）。這是由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)在砼用量和鋼筋用量均較高。