發(fā)布時間：2024-02-06 14:44:59
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
[關(guān)鍵詞]：超高層住宅；剪力墻；基于性能的抗震分析
中圖分類號：TU241文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
1 工程概況
某超高層住宅項目處于大連市東港區(qū)，場地北側(cè)為大連萬達(dá)公館，南側(cè)與維灣廣場隔長江路相望，東臨遼寧省檢驗檢疫局。本工程總建筑面積22.96萬m2，地上建筑面積18.14萬m2，地下建筑面積4.82萬m2。共兩層地下室，其中地下二層為車庫及設(shè)備用房，地下一、二層局部為核6、常6級甲類防空地下室，地上建筑包括兩棟獨棟商業(yè)及三棟超高層住宅。超高層住宅首層局部挑空為大堂部分， 2～50層為住宅部分，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.3米，建筑總高度為167.10m；塔樓分別在15、27、39層設(shè)3個避難層。
2 結(jié)構(gòu)體系
2.1上部結(jié)構(gòu)
本工程地上部分主體結(jié)構(gòu)為50層，室外地面至主屋面高度為167.95m。
主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻墻厚根據(jù)計算確定，一般墻肢厚度詳見表1。標(biāo)準(zhǔn)層平面結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。
主要墻體厚度 表1
圖1標(biāo)準(zhǔn)層平面結(jié)構(gòu)布置圖
2.2地基基礎(chǔ)設(shè)計
根據(jù)場地地質(zhì)勘察報告分析，本工程采用樁筏基礎(chǔ)，樁端持力層座落于中風(fēng)化板巖層，樁型采用機械成孔樁，飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值，樁徑1.4m，單樁承載力特征值為14000kN，筏板厚度2.4米，基礎(chǔ)埋深12.3m。單獨地下室部分及獨棟商業(yè)部分基礎(chǔ)坐落于強風(fēng)化板巖層上，地基承載力特征值fak=400 kPa。裙樓地下室部分采用獨立柱基礎(chǔ)防水底板，防水板厚0.5m。在塔樓與地下室之間設(shè)置施工后澆帶以減小二者之間的差異沉降。由于抗浮水位較高，經(jīng)復(fù)核，單獨地下室部分結(jié)構(gòu)自重?zé)o法滿足整體抗浮要求，故在上述區(qū)域采用抗浮錨桿以抵抗較大的水浮力。
3上部結(jié)構(gòu)超限情況及性能目標(biāo)
3.1超限情況
1．高度超限
高度超限，主體高度167.95m，超過《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）規(guī)定的B級鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)適用的最大高度150米的要求，屬于超B級高度超限高層。
2．平面不規(guī)則
建筑二層樓面局部開大洞，樓板不連續(xù)，導(dǎo)致該層平面不規(guī)則。
3．扭轉(zhuǎn)不規(guī)則
塔樓在地震作用下和風(fēng)荷載作用下，最大彈性層間位移角與平均層間位移角的比值存在大于1.2但小于1.5的情況，為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。
3.2性能目標(biāo)
參照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）及《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）有關(guān)結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計的參考方法，本工程具體性能目標(biāo)設(shè)定見表2。
抗震性能設(shè)計目標(biāo) 表2
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算
4.1 設(shè)計參數(shù)
本工程結(jié)構(gòu)安全等級為二級；基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級；抗震設(shè)防類別為丙類；抗震設(shè)防烈度為7度[1]；設(shè)計基本地震加速度值為0.1g；設(shè)計地震分組為第二組；水平地震影響系數(shù)最大值為0.105（多遇地震作用下）（安評報告提供）；Ⅱ 類場地（場地特征周期為0.35 s）；結(jié)構(gòu)阻尼比： 0.05。剪力墻抗震等級為一級?；撅L(fēng)壓為0.65kN/m2（50年重現(xiàn)期），地面粗糙度類別為A類。
4.2 多遇地震下振型分解反應(yīng)譜法計算分析
本工程采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部編制的SATWE（2011年1月版）和韓國MIDAS IT Inc.公司編制的MIDAS Building（2011版）兩種不同的空間有限元分析與設(shè)計軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)整體計算分析。分析按照二層地下室并附帶相關(guān)聯(lián)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)嵌固條件分析計算。驗算通過后按無地下室模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計算分析。多遇地震作用和風(fēng)荷載按兩個主軸方向作用，同時考慮5%偶然偏心地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響及雙向地震作用之最不利作用。
工程計算的整體建筑空間模型見圖2，剖面示意見圖3。
圖2整體空間模型圖3剖面圖
從整體計算結(jié)果（表3）可以看出，各軟件計算的結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、剪重比比較接近，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。結(jié)果說明各程序在計算結(jié)構(gòu)動力特性方面較為精準(zhǔn)，程序之間具有可比性。計算主要結(jié)果見表4、5。
整體結(jié)構(gòu)總質(zhì)量、基底剪力比較表 表3
頂點最大位移與層間位移角表5
4.3彈性動力時程分析
彈性動力時程分析采用SATWE進(jìn)行計算，選用的地震波為場地地震安全性評價報告提供的50年超越概率為63%的一條人工波α63-2和分析軟件內(nèi)存的兩條適合本工程場地土的兩條地震波XH-1和XH-2，單個波的總地震剪力不小于振型分解反應(yīng)譜方法計算結(jié)果的65%，三條波計算所得的結(jié)構(gòu)基底剪力平均值平均值不小于振型分解反應(yīng)譜方法計算結(jié)果80%，滿足規(guī)范要求。對于頂部樓層的剪力大于反應(yīng)譜計算的部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計時將取用三條時程波的包絡(luò)值，在反應(yīng)譜基礎(chǔ)上將內(nèi)力放大調(diào)整，進(jìn)行構(gòu)件補充計算。
4.4中震彈性和中震不屈服分析
在進(jìn)行多遇地震彈性計算的基礎(chǔ)上，本工程進(jìn)行了中震彈性驗算，計算目標(biāo)是底部加強區(qū)剪力墻受剪保持彈性狀態(tài)，部分連梁可以進(jìn)入塑性階段，并通過調(diào)整梁剛度折減，適當(dāng)增加剪力墻安全度。此外進(jìn)行了中震不屈服結(jié)構(gòu)驗算，計算目標(biāo)是剪力墻偏拉偏壓保持不屈服狀態(tài)，驗算墻肢是否出現(xiàn)全截面受拉，部分連梁可以進(jìn)入塑性階段。上述計算均采用特征周期0.35，水平地震影響系數(shù)0.23。
4.5 靜力彈塑性分析
本工程采用PUSH&EPDA對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了X向和Y向推覆計算,荷載加載形式為CQC。其性能點的基底剪力、頂點位移為、阻尼比、最大層間位移角見表6。罕遇地震作用下的薄弱層彈塑性變形驗算滿足規(guī)范1/120要求。X、Y向推覆能力譜與需求譜曲線見圖4-5。
結(jié)構(gòu)性能點相關(guān)參數(shù) 表6
圖4X向推覆能力譜與需求譜曲線 圖5Y向推覆能力譜與需求譜曲線
4.6結(jié)構(gòu)舒適度驗算
按照10年重現(xiàn)期的風(fēng)荷載計算結(jié)構(gòu)頂點橫風(fēng)向及順風(fēng)向的結(jié)構(gòu)頂點加速度，本工程的計算結(jié)果為：順風(fēng)向0.060 m/s2，橫風(fēng)向0.147 m/s2，滿足規(guī)范0.15m/s2的限值。
4.7超限加強措施
控制墻肢軸壓比不大于0.50，南北窗間墻處按分離框架柱進(jìn)行補充計算分析，并按兩模型包絡(luò)值進(jìn)行配筋設(shè)計。剪力墻底部加強區(qū)取為一層～六層，過渡層取為七層～八層，采用一級抗震等級；對大堂處局部穿層肢墻采取特一級抗震構(gòu)造措施，并在一、二層增設(shè)鋼骨加強。在底部中震受拉（拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值大于ftk）處墻肢增設(shè)型鋼，以型鋼抵抗全部拉力，且型鋼配置高于受拉區(qū)域二層，并采取特一級抗震構(gòu)造措施。需構(gòu)造加強的節(jié)點（轉(zhuǎn)角墻、橫墻、南北窗間墻，內(nèi)墻支撐多梁的端節(jié)點）的約束邊緣構(gòu)件上延至軸壓比0.30處（25層）。在樓板局部不連續(xù)處加大兩側(cè)板厚，并配置上、下雙向通長鋼筋，同時周邊剪力墻設(shè)暗梁，以增大水平剛度。罕遇地震作用時，底部加強區(qū)內(nèi)的部分墻肢進(jìn)入塑性狀態(tài)，施工圖設(shè)計時增加設(shè)置型鋼或加大配筋等加強措施，以提高墻肢延性及抗倒塌能力。
5結(jié)論
通過兩個不同軟件對整體結(jié)構(gòu)的計算分析，互為驗證后，結(jié)構(gòu)的剛度與變形特性滿足規(guī)范規(guī)定的限制要求，按設(shè)定的性能目標(biāo)及相應(yīng)措施，通過對超高層復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性、彈塑性分析，實現(xiàn)預(yù)期的性能目標(biāo)，采用比規(guī)范要求更高的抗震措施對重要的構(gòu)件做適當(dāng)?shù)募訌姟?/p>
參 考 文 獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：高層住宅；結(jié)構(gòu)設(shè)計；問題探討
隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及人口的不斷增多，為了解決住房的問題，我國城市居民的住宅向高層結(jié)構(gòu)發(fā)展。在這一開發(fā)建設(shè)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計是其安全性以及舒適性的前提，也是高層住宅建設(shè)的基礎(chǔ)?？梢哉f，結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接決定了整個建筑的質(zhì)量以及可使用的程度，因此我們要重視高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中問題的探討解決。
1高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計問題
1.1抗震問題
在進(jìn)行高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，抗震方面的設(shè)計是最為重要的一個環(huán)節(jié)，同時也是讓設(shè)計人員較為頭疼的一個環(huán)節(jié)，因為其設(shè)計十分復(fù)雜。在進(jìn)行這一方面的設(shè)計的過程中，不僅僅要對相關(guān)建筑材料、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以及選擇，同時，還要對整個建筑群進(jìn)行考慮。我國是一個地震頻發(fā)的國家，但同時因為我國也是國土遼闊的大國，有的地區(qū)沒有經(jīng)歷過比較明顯的地震災(zāi)害。所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，部分設(shè)計人員并不是十分重視抗震設(shè)計這一問題。除此之外，由于我國物力財力方面的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)抗震設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的制定時放寬了尺度。另外，經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使，有相當(dāng)部分的開發(fā)商為了追求利益最大化，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計造價給出指標(biāo)限制降低工程成本。上述各種原因?qū)е铝宋覈ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計時結(jié)構(gòu)抗震存在不足，高層住宅是居民密集聚集的建筑，高層住宅結(jié)構(gòu)抗震問題導(dǎo)致廣大居民的生命安全存在隱患。
1.2樓層平面布置問題
在進(jìn)行高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，大部分結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置時往往會感到十分的頭痛。建筑方案設(shè)計時，為了最大化地追求建筑使用舒適功能要求，住宅房間布置時按照各自的使用功能劃分，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的墻體、柱子不能對齊布置，最終導(dǎo)致平面梁布置時不能形成連續(xù)貫通的框架。從結(jié)構(gòu)傳力的角度分析，平面布置沒有形成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系[1]。我們都知道，雖然說理論計算或計算機程序在數(shù)學(xué)或是力學(xué)上都是可以給出結(jié)果，但是這種結(jié)果與理論假定及實際是存在較大出入的。我們知道結(jié)構(gòu)設(shè)計理論計算分析十分重要，但是結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計及結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計同樣重要，結(jié)構(gòu)概念及構(gòu)造設(shè)計是實現(xiàn)理論設(shè)計的重要補充。由此我們就可以看出，在進(jìn)行高層住宅設(shè)計的過程中，設(shè)計人員要重視結(jié)構(gòu)概念的理解，不能單獨追求建筑使用功能的舒適而忽略結(jié)構(gòu)的安全問題。
1.3剪力墻問題
剪力墻在高層建筑物的結(jié)構(gòu)中具有十分關(guān)鍵的作用，通過這一構(gòu)件結(jié)構(gòu)能夠較為有效的抗側(cè)力。在高層住宅中我們會遇到很多樓梯間周圍布置剪力墻的方案，因為樓梯間一側(cè)墻體沒有樓板連接，使得該剪力墻分擔(dān)整體結(jié)構(gòu)水平力能力大大降低[2]。然而，大多住宅中各種設(shè)備管井尤其是通風(fēng)井排放在該剪力墻的另一側(cè)，導(dǎo)致墻體兩側(cè)相連的有效樓板十分有限。這與我們布置剪力墻作為結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)側(cè)向力構(gòu)件的初衷相反，致使整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力大大降低。此外，建筑工程在進(jìn)行施工的過程中，部分施工單位會進(jìn)行工期的縮短，這樣施工人員為了趕工期不得不加快建筑速度，這在一定程度上影響到其施工質(zhì)量。在使用商品混凝土進(jìn)行泵送的時候，往往會增加水泥的用量，減少粗骨料的使用量，由于這兩者的比例產(chǎn)生了一定的變化，會在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的收縮量。加上由于混凝土強度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生，使得混凝土用量大的剪力墻產(chǎn)生裂縫的因素在增大。
2高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計問題的相關(guān)對策
2.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計
在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的過程中，對于建筑物的高寬比進(jìn)行嚴(yán)格的把握，要根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，采取多種計算程序比較復(fù)核。對設(shè)計人員進(jìn)行抗震設(shè)計思想宣傳，加強結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計重要性的認(rèn)識，應(yīng)以人民的生命財產(chǎn)安全為出發(fā)點。根據(jù)我國現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與時俱進(jìn)地修訂改進(jìn)抗震相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提高設(shè)計安全儲備。對于住宅等一旦發(fā)生地震極有可能造成重大傷亡的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，加快學(xué)習(xí)采用建筑隔震等新技術(shù)措施，增加抗震安全儲備。
2.2平面布置時合理地考慮結(jié)構(gòu)概念
在進(jìn)行建筑平面方案設(shè)計的過程中，為使理論與實際最大限度的相接近，建筑方案的確定應(yīng)適當(dāng)?shù)乜紤]結(jié)構(gòu)方案的可行性及優(yōu)劣性。建筑設(shè)計師應(yīng)充分地將結(jié)構(gòu)設(shè)計抗震概念及結(jié)構(gòu)受力概念融入到建筑方案中，充分考慮對結(jié)構(gòu)抗震的優(yōu)劣影響，對于涉及生命安全的重要建筑結(jié)構(gòu)，必要時應(yīng)以結(jié)構(gòu)安全為前提[3]。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員也應(yīng)對建筑方案的確定提出合理的優(yōu)化建議，對于確實影響結(jié)構(gòu)安全的建筑設(shè)計方案應(yīng)本著安全第一的原則提出修改。
2.3剪力墻的設(shè)計
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時與建筑及設(shè)備專業(yè)做好溝通，最大限度減少其布置方案對剪力墻的不利影響。應(yīng)以理論與實際最大限度接近為原則，設(shè)計人員要靈活地嘗試剪力墻布置方式，不要被一貫的布置思想束縛，進(jìn)而保障結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)力剛度的要求。加強結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施，適當(dāng)加強與墻體相連樓板的厚度及配筋率。條件允許時可以將剪力墻設(shè)置成L型或是T型，通過這樣的方法，才能夠發(fā)揮這一面墻的作用。對于工期緊、混凝土強度設(shè)計值較高或處于溫差變化較大位置的剪力墻，應(yīng)適當(dāng)增加墻體配筋率，降低裂縫的產(chǎn)生。
3總結(jié)
綜上所述，高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要設(shè)計人員注意的問題有很多，例如：抗震問題、平面布置問題、剪力墻問題等。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)以安全為基本前提，在理論分析合理計算的基礎(chǔ)上，重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)其實際情況進(jìn)行對策的提出，從而不斷提高其設(shè)計質(zhì)量。
作者:趙國 崔濤 單位:大連市建筑設(shè)計研究院有限公司 大連天鴻建筑設(shè)計有限公司
參考文獻(xiàn)：
[1]熊品華,劉明全,文勇,朱林輝,周贊高.麗都國際超高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾點做法[J].建筑結(jié)構(gòu),2009,v.39S1（12）:267-270.
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 鋼結(jié)構(gòu)住宅 設(shè)計
1、工程概況
某住宅樓建筑面積6233.2m2，地上13層為住宅房間，地下l層為設(shè)備間及停車場。根據(jù)使用功能、建筑總平面、建筑面積、建筑朝向、防火防煙分區(qū)等多方面的要求，經(jīng)多次優(yōu)化進(jìn)行了本建筑的平、立、剖面設(shè)計，每一戶住房中的衛(wèi)生間、廚房、臥室、客廳均有較好的自然采光和通風(fēng)，均可滿足住宅的建筑使用要求。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 設(shè)計資料
設(shè)計標(biāo)高：室內(nèi)設(shè)計標(biāo)高0.00m，室內(nèi)外高差0.3m。基本風(fēng)壓：wo---0.35kN/m2。地質(zhì)資料：建筑場地至地下9in范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土，地基承載力特征值為150kN/m2。地震設(shè)防烈度為7度。
2.2 建筑布置及計算簡圖的確定
（1）結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)建筑設(shè)計可知，該住宅為地上12 層，地下1層。綜合考慮設(shè)計資料、建筑功能及受力合理的要求，本建筑采用框架結(jié)構(gòu)體系。（2）計算簡圖。從結(jié)構(gòu)平面布置圖中取出最不利一榀框架，作為該結(jié)構(gòu)的計算模型。（3）截面的初步確定。根據(jù)荷載和跨度的要求，框架梁柱承受的荷載都比較大，故在材料選用時應(yīng)優(yōu)先考慮強度較高的鋼材，本工程主梁和柱子采用Q345B 鋼材，材料性能應(yīng)滿足《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼}（GB/T1591）的要求。柱采用寬翼緣的H 型鋼，梁采用中翼緣的H型鋼，據(jù)所選梁柱截面可以確定相應(yīng)截面的
幾何參數(shù)。
2.3 荷載計算
（1）恒載計算。主要考慮屋面、樓面均布荷載，并得到恒載作用下結(jié)構(gòu)的計算簡圖。（2）活載計算。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》得到非上人屋面的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值以及各樓層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而通過計算，得到了活載作用下的計算簡圖。（3）風(fēng)荷載計算。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，已知基本分壓w0=0.35kN/m2。由Wk=βzusuzwo?？芍L(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。將風(fēng)荷載換算成作用于每一層節(jié)點上的集中荷載，從而建立風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)計算簡圖。（4）地震荷載計算。本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分
組為第二組，Tk=0.40S，根據(jù)底部剪力法公式可得地震荷載作用在每一層節(jié)點上的集中荷載，從而得到地震荷載下的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡圖。
2.4內(nèi)力計算
（1）恒載作用下內(nèi)力計算。力法、位移法、彎矩分配法、無剪力分配法均可用來計算框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力和側(cè)移，但是多層鋼結(jié)構(gòu)往往桿件較多，超靜定次數(shù)很多，采用這些方法比較費時，因此實際計算時一般用近似方法分別計算結(jié)構(gòu)在豎向荷載和水平荷載作用下的內(nèi)力和位移?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在豎向荷載作坩下的計算方法有分層法、迭代法、二次彎矩分配法等。
2.5 構(gòu)件設(shè)計
據(jù)內(nèi)力計算組合結(jié)果，即可選擇各截面的最不利內(nèi)力進(jìn)行梁柱截面設(shè)計。設(shè)計公式為S≤R 和S≤R/yRE（地震作用參與的組合）。柱的截面設(shè)計考慮強度、剛度、平面內(nèi)整體穩(wěn)定、平面外整體穩(wěn)定以及局部穩(wěn)定等方面。主梁設(shè)計模型按多跨連續(xù)梁考慮。截面設(shè)計考慮強度、剛度、局部穩(wěn)定等方面（由于采用壓型鋼板組合樓板，且有牢靠的連接，故不必驗算整體穩(wěn)定），次梁截面按兩端簡支考慮，由強度、剛度、穩(wěn)定等綜合確定。
3、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點
3.1 鋼材結(jié)構(gòu)的特點
鋼材的結(jié)構(gòu)具有以下的特點：（1）強度高，重量輕；（2）塑性、韌性好；（3）材質(zhì)均勻，工作可靠性高；（4）適于于機械化加工，工業(yè)化生產(chǎn)程度高；（5）減少砂、石、灰用量，減輕對再生資源的破壞；（6）環(huán)保、可回收再利用，建筑造型美觀；（7）密閉性能好，能制成不滲漏的密閉容器；（8）耐熱性能好，耐火性能差；（9）耐腐蝕性差。
鋼和混凝土容重比：3.4，強度比：210～136。所以剛才較混凝土的重量輕，這樣能夠便于運輸和安裝，可跨越更大的跨度。
3.2 高層住宅鋼材結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點
（1）對高層住宅鋼材結(jié)構(gòu)的設(shè)計時要進(jìn)行柱網(wǎng)的布置，在設(shè)計時可以考慮選取一榀框架單元，對柱截面和梁截面要首先進(jìn)行初選?？蚣芰菏艿截Q向恒荷載、豎向活荷載、水平風(fēng)荷載和地震力的作用的影響。對內(nèi)力的計算時要采用分層法來進(jìn)行相應(yīng)的計算。
（2）對高層住宅鋼材結(jié)構(gòu)的設(shè)計首先應(yīng)該要考慮高層鋼材的承重結(jié)構(gòu)設(shè)計，在對承重結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候需要分兩個方面進(jìn)行設(shè)計，即：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。在設(shè)計的過程中要考慮到構(gòu)件和連接的強度破壞的承受能力，如果因為疲勞導(dǎo)致破壞或者因為鋼材過度的變形不在適合繼續(xù)承載，鋼材的結(jié)構(gòu)將會轉(zhuǎn)變?yōu)闄C動體系和結(jié)構(gòu)傾覆。
4、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是：結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，整個結(jié)構(gòu)安全可靠；結(jié)構(gòu)應(yīng)符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性；結(jié)構(gòu)方案盡可能節(jié)約鋼材，減輕鋼結(jié)構(gòu)重量；盡可能縮短制造、安裝時間，節(jié)約勞動工日；結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)便于運輸、便于維護(hù)；在可能條件下，盡量注意美觀，特別是外露結(jié)構(gòu)，有一定建筑美學(xué)要求。
（1）梁柱體系
平面采用普通梁格體系。梁采用熱軋焊接H 形截面鋼梁，柱為焊接箱型鋼柱。整個結(jié)構(gòu)設(shè)計成剛性框架結(jié)構(gòu)，豎向荷載由梁、板、柱承擔(dān)。框架的梁與梁、梁與柱、柱與基礎(chǔ)均按剛性連接設(shè)計，現(xiàn)場連接采用高強螺栓與焊接共同作用。次梁為H 形截面單跨簡支梁，設(shè)計主次梁時均不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。
（2）抗剪體系
分析計算表明，在全部水平風(fēng)荷載和地震力作用下，上述結(jié)構(gòu)體系局部剛度較弱，因此鋼框架―支撐結(jié)構(gòu)體系通過布置中心支撐來抵抗水平荷載。鋼框架―剪力墻結(jié)構(gòu)體系的中間部分電梯井與樓梯間布置鋼筋混凝土剪力墻，來抵抗水平外力的沖擊。
（3）樓蓋體系
一般各層樓（ 屋） 蓋均采用鋼筋混凝土樓（ 屋） 蓋， 樓板厚度依結(jié)構(gòu)計算定為110mm，140mm。在結(jié)構(gòu)計算中，認(rèn)為樓蓋剛度足夠大，符合平面內(nèi)無限剛性的假定。
5、鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中應(yīng)注意的問題
5.1鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的設(shè)計原則。
（1）發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并避免鋼結(jié)構(gòu)帶來的建筑平、立面單調(diào)呆板。
（2）解決鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑防火、防腐蝕問題。特別是在多雨的環(huán)境，防腐、防銹工作處理的好壞直接影響到鋼結(jié)構(gòu)住宅。
5.2結(jié)構(gòu)抗震性能與結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，地震時易損壞，而且除彈性設(shè)計外還要作彈塑性層間位移驗算。因此應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)布置符合規(guī)則性要求。
5.3鋼結(jié)構(gòu)要做到安全合理、節(jié)點構(gòu)造方便可靠、并為構(gòu)件制作、運輸、吊裝創(chuàng)造條件。
6、結(jié)語
鋼結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，具有自重輕、結(jié)構(gòu)空間大等優(yōu)點，十分適合應(yīng)用于高層民用建筑中。同時，鋼材具有非常好的延性。抗震性能優(yōu)于其他任何一種材料，鋼結(jié)構(gòu)作為一種承重結(jié)構(gòu)有不同于其他結(jié)構(gòu)形式的獨特之處，只是其配套體系有待于進(jìn)一步開發(fā)和完善。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綜合國力的增強，我國的高層建筑會越來越多的采用鋼結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 姜學(xué)詩；鋼結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見問題分析[J]；建筑結(jié)構(gòu)；2003年06期
關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)設(shè)計 基礎(chǔ) 剪力墻 樓板
1結(jié)構(gòu)計算分析與總體指標(biāo)控制
結(jié)構(gòu)整體計算的軟件選擇。目前比較通用的計算軟件有: SATWETAT、TBSA或ETABSSAP等。但是, 由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異, 導(dǎo)致了各軟件的計算結(jié)果或大或小。所以, 在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計算和分析時, 必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件, 并從不同軟件相差較大的計算結(jié)果中。判斷哪個是合理的。特別在抗震超限分析中, 哪個是可以作為參考的, 哪個又是意義不大的, 這將是結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計工作中首要的工作。否則, 如果選擇了不合適的計算軟件, 不但會浪費大量的時間和精力, 而且有可能使結(jié)構(gòu)有不安全的隱患存在。
計算判斷結(jié)構(gòu)抗震是否可行的主要依據(jù)。是在風(fēng)荷載和地震作用下水平位移的限值; 地震作用下, 結(jié)構(gòu)的振型曲線, 自振周期以及風(fēng)荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍中?？傮w指標(biāo)對建筑物的總體判別十分有用。
如若剛度太大, 周期太短, 導(dǎo)致地震效應(yīng)增大, 造成不必要的材料浪費, 但剛度太小, 結(jié)構(gòu)變形太大, 影響建筑物的使用。對合理的剛度, 筆者建議: 對高層住宅u /H取1 /2 500 - 1 /3 500, 剛重比在10～15之間是比較合理的。周期約為層數(shù)的0.06倍～0.08倍之間。另外, 對結(jié)構(gòu)布置扭轉(zhuǎn)的控制, 在考慮偶然偏心影響的地震作用下, 樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2 倍, 不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5 倍。當(dāng)然,對于頂層構(gòu)件可不考慮在內(nèi)。否則很難滿足上述指標(biāo)。
2高層住宅的基礎(chǔ)設(shè)計
高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計一直是結(jié)構(gòu)工程師極其關(guān)注和重視的一方面。目前, 高層剪力墻體系由于考慮埋置深度的要求。一般均設(shè)置地下室。常用樁基型式有預(yù)制鋼筋混凝土方樁、PHC管樁、鉆孔灌注樁及鉆孔灌注后壓漿樁。基礎(chǔ)則采用樁筏基礎(chǔ)。如何對樁進(jìn)行合理選型將對整個地下室設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重要影響。例如某一工程, 上部十八層帶一地下室。根據(jù)勘察報告, 采用中400 mm預(yù)應(yīng)力管樁, 可選樁長25 m, 單樁承載力特征值Ra = 900 kN; 樁長34 m, 單樁承載力特征值Ra = 1 300 kN。采用25 m樁需290根, 采用34 m樁需200根。但采用25 m樁為滿樘布置, 筏板厚需1 200 mm; 而采34 m樁為墻下布置, 筏板可減至900 mm, 經(jīng)濟(jì)性明顯。因此, 基礎(chǔ)選型應(yīng)選定經(jīng)濟(jì)合理的方案。而對于筏板厚度的取值則應(yīng)考慮樁沖切、角樁沖切、墻沖切及板配筋等多方面的因素。另外, 筏板長度的設(shè)置也須研究探討。由于考慮地下室的使用合理性, 常規(guī)采用設(shè)置后澆帶來解決底板超長引起的收縮及溫度裂縫。后澆帶的作用是明顯的, 但也給施工帶來了不少麻煩, 甚至由于處理不當(dāng)而引起后澆帶漏水及裂縫。而有些高層。長寬均達(dá)100 m以上, 中間就設(shè)置幾條后澆帶也沒有其他措施, 是不妥當(dāng)?shù)摹?/p>
嵌固端的設(shè)置問題: 由于高層建筑一般都帶有一或二層的地下室和人防, 嵌固端有可能設(shè)置在地下室頂板,也有可能設(shè)置在人防頂板等位置。在這個問題上結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師往往忽視了由嵌固端的設(shè)置帶來的一系列需要注意的方面。如: 嵌固端樓板的設(shè)計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結(jié)構(gòu)整體計算時嵌固端的設(shè)置、結(jié)構(gòu)抗震縫設(shè)置與嵌固端位置的協(xié)調(diào)等等問題。而忽略其中任何一個方面, 都有可能導(dǎo)致后期設(shè)計工作的大量修改或埋下安全隱患。
3高層住宅的剪力墻設(shè)計
(1) 由于目前的住宅內(nèi)部空間以及美觀的要求, 以及建筑造價經(jīng)濟(jì)合理的要求, 從而對結(jié)構(gòu)體系的要求也隨之提高, 剪力墻結(jié)構(gòu)(含部分短肢剪力墻) 就是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的結(jié)構(gòu)。剪力墻布置必須均勻合理, 使整個建筑物的質(zhì)心和剛心趨于重合, 且兩向的剛重比接近。結(jié)構(gòu)布置應(yīng)避免一字形剪力墻。若出現(xiàn)則應(yīng)布置成長墻( h /w > 8) 。應(yīng)避免樓面主梁平面外擱置在剪力墻上, 若無法避免, 則剪力墻相應(yīng)部位應(yīng)設(shè)置暗柱。當(dāng)梁高大于墻厚的2.5倍時, 應(yīng)計算暗柱配筋。轉(zhuǎn)角處墻肢應(yīng)盡可能長,因轉(zhuǎn)角處應(yīng)力容易集中, 有條件兩個方向均應(yīng)布置成長墻。規(guī)范中對普通墻及短肢墻的界定是墻高厚比8倍以下為短墻, 大于8倍則為普通墻。這就引起高厚比為7.9倍及8.1倍的兩種墻的受力特性截然不同, 而配筋亦大相徑庭, 顯得比較機械而不合理。在新規(guī)范中對短肢剪力墻在高層建筑中的應(yīng)用增加了相當(dāng)多的限制, 應(yīng)盡可能少采用短肢剪力墻。
(2) 剪力墻配筋及構(gòu)造。對于高層住宅來說, 剪力墻是面廣量大的。因此, 合理控制剪力墻配筋對于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的作用。①剪力墻墻體配筋(以200 mm厚墻體為例) 一般要求水平鋼筋放在外側(cè),豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計算及規(guī)范建議的最小筋率即可。筆者建議加強區(qū)Φ10間距200, 非加強區(qū)Φ8 間距200雙層雙向即可。雙排鋼筋之間采用Φ6間距600 ×600拉筋。但地下部分墻體配筋則另當(dāng)別論。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力、土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制。而由于簡化計算經(jīng)常由豎向筋控制, 此種情況下為增大計算墻體有效高度, 可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè), 豎向鋼筋放在外側(cè)。地下部分墻體鋼筋保護(hù)層按《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.6條規(guī)定: 迎水面保護(hù)層應(yīng)大于50 mm,且在保護(hù)層內(nèi)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第9.2.4條規(guī)定,增設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)片。在這種情況下, 很多設(shè)計人員在進(jìn)行外墻裂縫驗算時, 有效截面高度仍按保護(hù)層50 mm計算,這是不妥當(dāng)?shù)?。?dāng)采取了雙向鋼筋網(wǎng)片后, 計算保護(hù)層厚度至少可按30 mm來取值, 這對節(jié)省墻體配筋效果相當(dāng)明顯。②剪力墻按規(guī)范應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件。一、二級抗震設(shè)計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件: 其余剪力墻應(yīng)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.2.17條設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。本節(jié)僅就構(gòu)造邊緣構(gòu)件的配筋作一點討論。筆者認(rèn)為首先要區(qū)分剪力墻的受力特性及類別, 即普通剪力墻(長墻) , 短肢剪力墻, 小墻肢和一個方向長肢墻而另一方向?qū)俣讨珘韰^(qū)別對待配筋。對于普通剪力墻, 其暗柱配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率,建議加強區(qū)0.7%, 一般部位0.5%; 對于短肢剪力墻, 應(yīng)按高規(guī)第7.1.2條控制配筋率加強區(qū)1.2%, 一般部位1.0%; 對于小墻肢其受力性能較差, 應(yīng)嚴(yán)格按高規(guī)控制其軸壓比, 宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計。并應(yīng)控制其縱向鋼筋配筋率加強區(qū)1.2%, 一般部位1.0%; 而對于一個方向長肢另一方向短肢的墻體, 設(shè)計中往往就按長肢墻進(jìn)行暗柱配筋, 這并不妥當(dāng)。建議一: 計算中另一方向短肢不進(jìn)入剛度, 則配筋可不考慮該方向短肢影響; 二: 計算中短肢進(jìn)入剛度, 則配筋中應(yīng)考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率加強區(qū)1.0%, 一般部位0.8%。③剪力墻中的連梁跨度小, 截面高度大, 在地震作用下彎矩、剪力很大, 有時很難進(jìn)行設(shè)計。如果加大連梁高度, 配筋值有時反而更大。連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞頂算到樓面標(biāo)高。對于門洞, 上述所示情況梁的高度是一樣的, 但對于窗洞,連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底, 有時則高度太高,這樣高跨比太大, 并且與計算圖形不符, 相應(yīng)配筋亦較大,不合理。筆者建議:連梁高度計算與設(shè)計統(tǒng)一規(guī)定從洞頂算到樓板面或屋面。對于窗洞樓面至窗臺部分可用磚或其他輕質(zhì)材料砌筑。對于窗臺有飄窗時,可再增加一根梁,兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應(yīng)對稱配置,腰筋同墻體水平筋。④剪力墻的樓層處均設(shè)置暗梁。目前,各設(shè)計院在剪力墻的樓層處均設(shè)置暗梁,而對暗梁的作用及配筋亦各有理解。筆者認(rèn)為對于框架--剪力墻結(jié)構(gòu),如剪力墻周邊僅有柱而無梁時,則設(shè)置暗梁,并且要求剪力墻兩端是明柱。這是因為周邊有梁柱的剪力墻,抗震性能要比一般剪力墻要好。剪力墻結(jié)構(gòu)則沒有這方面的要求,在墻板交接處設(shè)置暗梁對加強墻體整體性作用還是有的,但究竟有多大則無從確定。因此,就目前而言,在樓層位置設(shè)置暗梁是可行的。但沒有必要設(shè)置太大斷面及配筋,建議底部加強區(qū)斷面可取墻厚×300 mm,配筋上下各2Φ16 mm,一般部位斷面可取墻厚×250 mm。配筋上下各2Φ14 mm即可。
4高層住宅的樓板設(shè)計
伴隨著商品混凝土的推廣, 建筑樓面出現(xiàn)裂縫的機率加大。并且日益受到人們的關(guān)注。專家認(rèn)為, 控制裂縫是個系統(tǒng)工程, 樓面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫原因復(fù)雜。有材料、溫度變化等原因, 也有設(shè)計、施工使用等方面問題; 而樓面沿板內(nèi)預(yù)埋管線出現(xiàn)的裂縫尚未引起工程人員足夠重視。從設(shè)計方面看, 以下成因應(yīng)當(dāng)重視, 利于有目的進(jìn)行裂縫控制。樓板剛度不足: 設(shè)計按多跨連續(xù)板進(jìn)行配筋計算, 側(cè)重于滿足結(jié)構(gòu)安全, 較少考慮混凝土收縮特性和溫度變形等多種因素。樓板高跨比僅為L /33～L /35。其剛度較小對裂縫控制很不利。
樓板構(gòu)造配筋設(shè)計不周: 設(shè)計在支座處按常規(guī)配設(shè)負(fù)筋, 在中部板面不配鋼筋。當(dāng)板面出現(xiàn)溫度變形和混凝土收縮, 因無構(gòu)造鋼筋約束, 板面即出現(xiàn)裂縫。樓板內(nèi)布線欠合理: 由于水電施工圖由各專業(yè)設(shè)計。實際施工中出現(xiàn)水電管交叉疊放, 或由于設(shè)計考慮管內(nèi)容線面積, 部分預(yù)埋管徑≥25 mm, 且設(shè)計管線位置在樓板跨中。即在單層雙向配筋處, 樓板有效截面受到很大程度( 15% ～40% ) 削弱, 成為樓板最易開裂的部位。當(dāng)樓板收縮應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強度時, 即出現(xiàn)沿管線表面呈直線狀的裂縫。
從房屋的空間結(jié)構(gòu)來看, 剪力墻剛度大約束了剪力墻間梁板的水平向自由變形, 而梁剛度又較板剛度大。因各類因素引起的水平向收縮變形均集中到剪力墻間剛度最小的板上, 造成這塊板開裂。對策及建議: 梁板混凝土強度等級不宜大于C30, 樓板應(yīng)雙層雙向配筋; 屋面、轉(zhuǎn)換層樓面配筋宜加強; 樓板內(nèi)管線應(yīng)避免出現(xiàn)交叉(將交叉部位設(shè)置在梁或墻上) , 控制管線直徑。使其不超過板厚的20%且≤25 mm; 重視房屋護(hù)構(gòu)件(外墻、屋面、門窗等) 的保溫設(shè)計, 若使房屋具有良好的保溫性能, 不僅可大幅度降低房屋長期能耗, 更是減少因溫差變形而引起裂縫的有效手段。
5結(jié)束語
關(guān)鍵詞: 框剪結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；計算方法；高層住宅
引言
近年來,由于建筑設(shè)計和使用功能等的要求,導(dǎo)致很多在抗震設(shè)防區(qū)的住宅建筑在其中部附近開設(shè)了過洞或過人洞。這使得一些抗震墻無法落地,而僅靠落地剪力墻,結(jié)構(gòu)總體剛度不夠,必須要設(shè)置轉(zhuǎn)換構(gòu)件,通過轉(zhuǎn)換構(gòu)件將上部構(gòu)件的內(nèi)力傳遞到基礎(chǔ)和地基。也常有一部分住宅建筑由于車位、底部景觀架空通透、上部房間布局等因素, 造成了少量抗震墻無法落地。它們有一個共同的特點,就是轉(zhuǎn)換層上的不落地抗震墻占該層總抗震墻的比例很小, 一般僅在10 %左右。由于轉(zhuǎn)換層上下側(cè)移剛度基本相同,這使得它們的一些特性更加接近抗震墻結(jié)構(gòu), 我們把這種介于抗震規(guī)范所講的抗震墻結(jié)構(gòu)和部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)形式稱為局部框支抗震墻結(jié)構(gòu)。這里所講的局部框支抗震墻結(jié)構(gòu)除了不落地抗震墻很少以外,還具有以下特點: 框支柱的數(shù)量一般為6～8 個,最多不超過10 個。下面本文將結(jié)合實際工程對此類建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計進(jìn)行簡單的探討，供大家參考學(xué)習(xí)。
1 工程概況
某工程項目規(guī)劃總用地為6.983hm2 , 規(guī)劃總建筑面積15.3萬. (地上) 。本工程包含1～4 # 高層住宅、5 # 商業(yè)辦公樓、6 # 辦公樓及公共的地下室,總建筑面積為144 726m2其中,2 # 、3 # 十九層高層住宅工程為框支剪力墻結(jié)構(gòu),一層平面見圖1 所示。
圖1 2 # 、3 # 樓底部結(jié)構(gòu)平面布置圖
主體結(jié)構(gòu)層高62.3m,地下室2 層,層高分別為3.5m,4.7m;地上1 層為居民活動空間,高5. 4m; 2層～13層為住宅, 層高2.9m, 以上至屋頂層高均為3.0m。
該地區(qū)的基本風(fēng)壓0.4N/mm2 , 抗震設(shè)防烈度7 度,場地土的特征周期0.45s , 設(shè)計基本地震加速度0. 1g , 框架抗震等級為二級,剪力墻底部加強部位抗震等級為二級, 其余部位為三級。結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05 ,水平地震影響系數(shù)最大值為0.08 ,罕遇地震影響系數(shù)最大值為0.5 , 地面粗糙度為C類。計算中考慮雙向水平地震作用、扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)影響及重力二階效應(yīng),并對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行計算。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的計算和分析
2. 1 轉(zhuǎn)換體系的選取與計算
框支轉(zhuǎn)換層樓板在地震中受力變形較大, 其在整體電算中的模型選擇很關(guān)鍵。由于工程轉(zhuǎn)換梁上部層數(shù)多,地震時樓板將傳遞相當(dāng)大的地震力, 其在平面內(nèi)的變形是不可忽略的。因此采用彈性板或彈性膜的計算模型較為適宜。由于彈性板的平面外剛度在整體計算中已被計入, 相當(dāng)于考慮了板對梁的卸荷作用,會使梁的設(shè)計偏于不安全。在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析時,將轉(zhuǎn)換層樓板用彈性膜單元模擬。
2. 2 嵌固端與轉(zhuǎn)換層樓板板厚的確定
工程以±0. 000 板作為嵌固端, 既保證上部結(jié)構(gòu)的地震剪力通過地下室頂板傳遞到全部地下室結(jié)構(gòu), 同時能夠保證上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形是以地下室為參照原點。《抗規(guī)》第6. 1. 14 條規(guī)定: 當(dāng)?shù)叵率翼敯遄鳛樯喜壳豆潭瞬课粫r, 結(jié)構(gòu)地上一層的側(cè)向剛度，不宜大于相關(guān)范圍地下一層側(cè)向剛度的0.5倍, 地下室在地上結(jié)構(gòu)相關(guān)范圍的頂板厚度不宜小于180mm。故地下室頂板厚度取200mm,同時,為了有效地將水平地震力傳遞給剪力墻,在應(yīng)力集中的樓層,將樓板厚度加大, 轉(zhuǎn)換層樓板取180mm, 與其相鄰的層也適當(dāng)加厚至150mm。
考慮抗震需要, 施工圖階段時更有意提高轉(zhuǎn)換層配筋率,使單層配筋率達(dá)到0. 35 % ,以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換層樓板和框支大梁共同作用的能力?？紤]到梁寬大于上部剪力墻的兩倍, 寬度較寬, 對邊轉(zhuǎn)換梁, 板面鋼筋不是簡單地要求伸入梁內(nèi)滿足錨固要求即可,而是要求必須貫穿梁頂截面,以確保梁內(nèi)扭矩在板上的有效傳遞。
2. 3 框支柱與剪力墻底部加強部位墻厚的設(shè)計
框支柱基本布置于上部剪力墻對齊的下方或就近區(qū)域, 這樣不僅能使豎向荷載的傳力途徑直接、明確, 減少轉(zhuǎn)換板的內(nèi)力, 同時, 上下抗側(cè)力結(jié)構(gòu)對齊, 對于抵抗水平地震荷載作用, 改善轉(zhuǎn)換板的復(fù)雜受力情況也是大有裨益的(詳見圖1) 。
框支柱作為框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系中重要的構(gòu)件, 它的安全度直接影響到整棟建筑結(jié)構(gòu)的抗震性, 因而框支柱的延性和承載力成為設(shè)計的關(guān)鍵。框支柱應(yīng)在計算的基礎(chǔ)上,通過概念設(shè)計和抗震措施(構(gòu)造措施) 進(jìn)行設(shè)計。調(diào)整框支柱總剪力不小于0. 30 ,框支柱的抗震等級定位一級,為了增加其延性, 軸壓比不超過0. 4 , 其最小配箍特征值比一級增加0. 02 采用,框支層剪力墻軸壓比控制在0. 6 以內(nèi),以保證剪力墻有足夠的延性，避免剪力墻的等豎向受力構(gòu)件在地震中產(chǎn)生脆性破話。
抗震設(shè)計時, 剪力墻的底部加強部位包括底部塑性鉸范圍及其上部的一定范圍, 其目的是在此范圍內(nèi)采取增加構(gòu)造邊緣構(gòu)件箍筋和墻體橫向鋼筋等必要的抗震加強措施,避免脆性的剪切破壞,改善整個結(jié)構(gòu)的抗震性能?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》J GJ3 - 2010(以下簡稱《高規(guī)》) 10．2．2 帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強部位的高度應(yīng)從地下室頂板算起，宜取至轉(zhuǎn)換層以上兩層且不宜小于房屋高度的1／10。為了保證底部加強部位處剪力墻的平面外剛度和穩(wěn)定性,《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011 - 2010(以下簡稱《抗規(guī)》) 及《高規(guī)》分別規(guī)定了剪力墻底部加強部位墻厚的取值。其中,考慮到高層建筑結(jié)構(gòu)的重要性《高規(guī)》對墻厚的取值更加嚴(yán)格。針對本工程結(jié)構(gòu)的特點,設(shè)計中有以下兩點特別之處:
(1) 一般情況下, 高層建筑結(jié)構(gòu)底部加強部位的剪力墻厚度應(yīng)按照《高規(guī)》7. 2. 2 條規(guī)定取值。但對于本工程而言,由于底部層高較大,一般剪力墻墻厚bw取380 ,但對于電梯井處剪力墻布置較多,相對的軸力較小,其截面按照上述方法取值則顯得的不是很經(jīng)濟(jì)合理。因此,針對本工程的具體設(shè)計,剪力墻截面厚度bw適當(dāng)?shù)臏p少到300 ,同時嚴(yán)格按照《高規(guī)》附錄D 以下公式(1) 計算墻體的穩(wěn)定。
(1)
(2) 在保證住宅上部剪力墻強度及層間位移滿足規(guī)范的前提下, 應(yīng)盡量減少上部剪力墻數(shù)量, 減薄厚度, 轉(zhuǎn)換層以下厚度加大,以減少結(jié)構(gòu)上部剛度,增大下部剛度。同時, 由于轉(zhuǎn)換層上下剛度的突變對上部相鄰幾層剪力墻造成的影響, 故而除了對轉(zhuǎn)換層上相鄰數(shù)層剪力墻的水平及豎向分布筋和暗柱鋼筋予以加強外, 還在這些樓層中跨高比小于2 的剪力墻連梁內(nèi)設(shè)置交叉鋼筋以增強其耗能能力。
2. 4 轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的確定
工程實踐中, 框支剪力墻結(jié)構(gòu)體系是對結(jié)構(gòu)本身來說是很不利的,為了加大底部大空間樓層的抗側(cè)剛度,使上下剛度接近,《高規(guī)》規(guī)定: 需要抗震設(shè)防時, 轉(zhuǎn)換層上下剛度比不應(yīng)大于2 ,同時不應(yīng)小于1。為了滿足此要求,對底部的落地芯筒及少量的落地剪力墻均予以加厚, 落地芯筒周邊墻體加厚至300mm(上部為250mm) , 少量的落地剪力墻加厚至400mm(上部為250mm) , 同時轉(zhuǎn)換層以下的混凝土強度等級定位C45(上部為C35) , 最終大部分單元剛度比均控制在1. 4 左右,只有少數(shù)單元較大,但也控制在1.8以內(nèi)。
由于高層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換層的出現(xiàn), 沿建筑物高度方向剛度會產(chǎn)生不均勻變化,因而在傳遞力的途徑中會產(chǎn)生很大的改變。如何計算轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比是帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須解決的主要問題?！陡咭?guī)》附錄E分別規(guī)定了底部大空間層數(shù)不同,轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的計算方法。其中轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的計算綜合考慮了豎向抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪剛度和抗彎剛度,因此更能反映帶轉(zhuǎn)換層的高層結(jié)構(gòu)沿高度方向剛度變化的實際情況。轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比按公式(2)計算,為了便于計算頂部位移,可以將頂部單位水平力適當(dāng)放大。
(2)
結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以應(yīng)用“高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件”(SATWE) 計算轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比,具體計算步驟如下:
(1) 采用PMCAD 分別按(圖2 )建立結(jié)構(gòu)計算模型1、2 ;
(a) 計算模型1 - 轉(zhuǎn)換層及其下部結(jié)構(gòu)(b) 計算模型2 - 轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)
圖2 轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比的計算模型
(2) 采用SATWE 前處理程序形成風(fēng)荷載數(shù)據(jù)文件WIND. SAT;
(3) 分別修改計算模型1、2 的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)文件,將頂層剛性樓板的X、Y向風(fēng)荷載的X、Y軸均設(shè)置為500kN, Z軸扭轉(zhuǎn)分量設(shè)置為0 , 其余各層X、Y向風(fēng)荷載的X、Y軸分量以及Z軸扭轉(zhuǎn)分量均設(shè)置為0 ;
(4) 運行SATWE中結(jié)構(gòu)分析及構(gòu)件內(nèi)力計算程序, 算出計算模型1、2 的頂部位移;
(5) 應(yīng)用公式(2) 即可求解出轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比。
通過上述方法計算得出的轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比宜接近1 , 非抗震設(shè)計時不應(yīng)大于2 , 抗震設(shè)計時不應(yīng)大于1. 3。
γex =Δ1 H2/Δ2/ H1 = 1. 12
γey =Δ1 H2/Δ2/ H1 = 1. 18
2. 5 局部抗震設(shè)計
局部框支剪力墻結(jié)構(gòu)的局部加強范圍, 對本工程來說,取框支部分所臨近兩個2～3 個開間所包圍的區(qū)域(見圖1中方框內(nèi)的部分) 。在進(jìn)行框支柱、梁內(nèi)力調(diào)整時可按此調(diào)整加強部位有關(guān)剪力墻、框支柱和梁的內(nèi)力。局部框支加強范圍以外,可按剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計。兩者交接部分應(yīng)加強連接構(gòu)造, 如板邊設(shè)暗梁、梁板配筋加強等, 以保證水平剪力傳遞。
建筑專業(yè)為了立面處理的需要, 希望在建筑平面的角部開窗(見圖1 中圓形標(biāo)注內(nèi)的部分) , 墻體角部在地震作用下, 是較敏感的部位, 特別當(dāng)結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則時, 由于平面的扭轉(zhuǎn), 引起內(nèi)力重分布, 將使震害加劇, 使得此處的連梁分配更多的地震力,容易產(chǎn)生連梁的超筋問題。因此,需要對此處的連梁采取構(gòu)造加強措施, 本工程主要采用了以下幾點:
(1) 角部開窗的墻體為無翼緣墻體,《抗規(guī)》6. 4. 1 條規(guī)定墻體厚度,當(dāng)無端柱或翼墻時不宜小于層高或無支長度的1／12 ,本住宅層高2. 9m～3. 0m,故角部房間墻段厚度取250mm;
(2) 由于角部墻體無翼緣, 延性較差, 應(yīng)在墻體端部設(shè)置暗柱,并適當(dāng)?shù)募訌娕浣睢?/p>
(3) 為了增加墻體平面外的穩(wěn)定性, 可在每層樓板角部處附加鋼筋板帶配10Φ12mm鋼筋, 兩端各錨入暗柱內(nèi), 長度≥35d。樓層加強, 雙層雙向且均按受拉鋼筋錨固于墻內(nèi)和梁內(nèi),如圖3 所示。
圖3 角部平面圖
3 結(jié)語
局部框支剪力墻結(jié)構(gòu)雖然框支部分很少, 但對框支部分還應(yīng)該符合部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)的, 同時又不完全符合。因此,為滿足使用功能和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求,同時使剪力墻的布置和用量較為合理, 結(jié)構(gòu)設(shè)計時主要應(yīng)解決以下幾個問題:
平面設(shè)計時合理布置剪力墻的位置, 使建筑結(jié)構(gòu)的剛心與質(zhì)心盡量接近。
②對于框支柱上的剪力墻盡可能的減少,減薄,如果實在無法避免時, 框支柱的計算配筋要充分考慮到平面外的荷載作用及內(nèi)力的相互影響。
③對工程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)換層一類的局部特殊結(jié)構(gòu)形式時,應(yīng)對結(jié)構(gòu)整體計算后對局部特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門的有效受力分析,如對轉(zhuǎn)換層上下層剛度比進(jìn)行單獨的計算。
關(guān)鍵詞：高層建筑 剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
中圖分類號： TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
前言
目前我國城市土地供應(yīng)緊張與住宅市場需求旺盛的矛盾日漸突出，城市轉(zhuǎn)而向高度要空間的趨勢越來越明顯，高層剪力墻結(jié)構(gòu)體系在住宅市場也隨之大量應(yīng)用。因而結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否直接影響千家萬戶的生命財產(chǎn)安全，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計原則進(jìn)行合理的設(shè)計，反復(fù)驗算，使剪力墻結(jié)構(gòu)滿足使用的需要并且有優(yōu)良的抗震性能，并在以上前提下優(yōu)化設(shè)計以達(dá)到合理的工程造價。
一、高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計
剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下側(cè)向變形的特征為彎曲型。剪力墻結(jié)構(gòu)承受豎向荷載及水平荷載的能力都較大。其特點是整體性好，側(cè)向剛度大，水平力作用下側(cè)移小，并且由于沒有梁、柱等外露與凸出，便于房間內(nèi)部布置。在水平地震作用下，高層短肢剪力墻結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為整體彎曲變形，底部的小墻肢承由于豎向荷載較大，破壞嚴(yán)重，特別是一字形小墻肢的破壞最為嚴(yán)重。可增加建筑物周邊墻肢長度或連梁高度來消除扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，從而使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度明顯增大。為了提高墻肢的承載力和延性，還需加強邊緣構(gòu)件配筋，增大這些部位墻肢縱筋和箍筋的配筋率，嚴(yán)格控制軸壓比。
二、剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的優(yōu)化
1、在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向布置，形成空間結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向布置剪力墻，并宜使兩個受力方向的抗側(cè)剛度接近，以使其具有較好的空間工作性能。剪力墻的抗側(cè)剛度及承載力均較大，為充分利用剪力墻的能力，減輕結(jié)構(gòu)重量，增大剪力墻結(jié)構(gòu)的可利用空間，墻不宜布置太密，使其結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度。
2、剪力墻墻肢截面宜簡單、規(guī)則，剪力墻的豎向剛度應(yīng)均勻，剪力墻的門窗洞口宜上下對齊、成列布置，形成明確的墻肢和連梁，應(yīng)力分布比較規(guī)則，又與當(dāng)前普遍應(yīng)用的計算簡圖較為符合，設(shè)計結(jié)果安全可靠。宜避免使墻肢剛度相差懸殊的洞口設(shè)置，當(dāng)剪力墻的洞口布置出現(xiàn)錯洞、疊合錯洞時，墻內(nèi)配筋應(yīng)構(gòu)成框架形式。
3、較長的剪力墻宜開設(shè)洞口，將其分成長度較均勻的若干墻段，墻段之間宜采用弱連梁連接，每個獨立墻段的總高度與其截面高度之比不應(yīng)小于2，以避免剪力墻產(chǎn)生脆性的剪切破壞?？拐鹪O(shè)計時，應(yīng)盡量避免在洞口與墻邊或在兩個洞口之間形成墻肢截面高度與厚度之比小于4的小墻肢。當(dāng)小墻肢截面的高度小于墻厚的4倍時，應(yīng)按框架柱設(shè)計，箍筋按框架柱加密區(qū)要求全高加密。
4、剪力墻的特點是平面內(nèi)剛度及承重力大，而平面外剛度及承載力都相對很小，應(yīng)控制剪力墻平面外的彎矩，保證剪力墻平面外的穩(wěn)定性。當(dāng)剪力墻墻肢與其平面外方向的樓面梁連接時，應(yīng)采取足夠的措施減少梁端部彎矩對墻的不利影響。
5、剪力墻布置對結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有很大影響，剪力墻宜自下到上連續(xù)布置，避免剛度突變；允許沿高度改變墻厚和混凝土強度等級，或減少部分墻肢，使側(cè)向高度沿高度逐漸減小。剪力墻沿高度不連續(xù)，將造成結(jié)構(gòu)沿高度剛度突變，對結(jié)構(gòu)抗震不利。
6、在進(jìn)行剪力墻設(shè)計時，應(yīng)通過結(jié)構(gòu)分析，在滿足最大層間位移、周期比、位移比的各項指標(biāo)確定每層剪力墻的厚度時，同時考慮不同抗震等級軸壓比的影響及穩(wěn)定性和相關(guān)構(gòu)造要求。對于普通的住宅建筑在7度和8度地區(qū)，墻厚大多數(shù)情況下是按穩(wěn)定和構(gòu)造要求所控制的。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.2.2條和8.2.2條確定的剪力墻允許高厚比見表1。
注：H為層高或剪力墻無支長度的較小值
三、 剪力墻結(jié)構(gòu)計算方面的優(yōu)化
在設(shè)計剪力墻結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求綜合考察結(jié)構(gòu)是否合理，如剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度不宜過大，在滿足樓層最大層間位移與層高之比滿足規(guī)范的基礎(chǔ)上，以規(guī)范規(guī)定的樓層最小剪力系數(shù)為目標(biāo)。
1、樓層最小剪力系數(shù)的調(diào)整原則。在滿足短肢剪力墻承受的第一振型底部地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總底部地震傾覆力矩不超過40%的前提下，盡可能減少剪力墻的布置，以大開間剪力墻布置方案為目標(biāo)，使結(jié)構(gòu)具有適宜的側(cè)向剛度，使樓層最小剪力系數(shù)接近（不小于）規(guī)范限值。這樣能夠減輕結(jié)構(gòu)自重，有效減小地震作用的輸入，同時降低工程造價。
2、剪力墻水平分布筋在邊緣構(gòu)件中的錨固。邊緣構(gòu)件本身是剪力墻的一部分，不能套用一般的梁與柱連接的做法，因為它與剪力墻墻身之間的連接是相同構(gòu)件之間的連接。剪力墻的水平布筋是按整片墻肢的配置來抵抗水平地震作用產(chǎn)生的剪力的，用剪力墻邊緣構(gòu)件中的箍筋來改善混凝土的受壓性能，約束混凝士，使剪力墻在地震作用下具有較好的耗能和延性能力。可以將水平分布筋延伸至墻肢端部，并垂直彎折15d。
3、連梁的配筋。剪力墻的連梁是耗能構(gòu)件，它的剪切破壞對抗震不利，會使結(jié)構(gòu)的延性降低。設(shè)計時要注意對連梁進(jìn)行“強剪弱彎”的驗算，保證連梁的剪切破壞后于彎曲破壞。切忌人為加大連梁的縱筋，如此，可能無法滿足“強剪弱彎”的要求。不能認(rèn)為加大箍筋就能保證“強剪弱彎”。當(dāng)連梁不滿足截面控制條件時，如果盲目增加箍筋，會導(dǎo)致連梁發(fā)生剪切破壞先于箍筋充分發(fā)揮作用。連梁截面的抗剪計算，對于跨高比大于2.5的連梁，其剪力設(shè)計值應(yīng)乘以增大系數(shù)ηvb：一級取1.3，二級取1.2，三級取1.1。剪力墻連梁的截面尚應(yīng)滿足以下要求：
跨高比大于2.5時:v≤(0.2βcfcbbhbc)/rRE
跨高比不大于2.5時：v≤(0.15βcfcbbhbc)/rRE
式中：v為梁端截面組合的剪力設(shè)計值：βc一混凝士強度影響系數(shù)，《高規(guī)》(JGJ3—2010)第6.2.6條的規(guī)定采用。
4、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（周期比）的調(diào)整原則。震害表明，平面不規(guī)則、質(zhì)量與剛度偏心、抗扭剛度太弱的結(jié)構(gòu)，在震中破壞嚴(yán)重。在設(shè)計時，要保證結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱：首先要限制結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則性，避免產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的計算應(yīng)考慮偶然偏心的影響；其次是限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱，具體表現(xiàn)在Tt /T1指標(biāo)上。在實際工程設(shè)計中，應(yīng)將結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件盡可能沿周邊布置，以提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和抗扭剛度。若在結(jié)構(gòu)的形心附近加大豎向構(gòu)件剛度，則只是對側(cè)向剛度的貢獻(xiàn)大，對抗扭剛度來說，貢獻(xiàn)甚微。
5、計算結(jié)果的分析、判斷
應(yīng)采用至少兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件對不規(guī)則和復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體內(nèi)力和位移分析，確定其可靠、合理之后，才可在工程設(shè)計中運用。分析時要注意以下幾點：非耦聯(lián)計算地震作用時，剪力墻結(jié)構(gòu)自振周期一般在(0．04～O．08)n范圍內(nèi)(其中n為結(jié)構(gòu)計算總層數(shù))；振型曲線光滑連續(xù)，零點位置符合一般規(guī)律；耦聯(lián)計算時，扭轉(zhuǎn)為主的周期應(yīng)不大于平動為主的周期的0.9或0.85倍。結(jié)構(gòu)布置較正常的剪力墻結(jié)構(gòu)，底部總剪力值應(yīng)大致在v0=aG的范圍內(nèi)(其中a為合適范圍系數(shù)，G為結(jié)構(gòu)總重)。對于8度設(shè)防抗震區(qū)的剪力墻結(jié)構(gòu)，合適范圍系數(shù)一般為：Ⅱ類土a：(4～8)％；Ⅲ類土a=(6～9)％。對稱結(jié)構(gòu)在對稱外力作用下，其對稱點的內(nèi)力與位移也應(yīng)是對稱的。豎向剛度、質(zhì)量變化較均勻的結(jié)構(gòu)，在較均勻外力作用下，其內(nèi)力及位移等計算結(jié)果自上而下不應(yīng)有大的突變。
四 結(jié)束語
總之，高層住宅結(jié)構(gòu)如何把握好合理性與經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，合理把握關(guān)鍵部位和次要構(gòu)件，使計算結(jié)果能真實反映結(jié)構(gòu)的受力特性。確保建筑物整體的安全性和經(jīng)濟(jì)性，這是設(shè)計者在工作中需要不斷改進(jìn)和提高的地方。
參考文獻(xiàn)
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1.建筑方案設(shè)計階段
1.1平面體型的規(guī)則性和均勻性對含鋼量的影響
平面體型的規(guī)則性和均勻性對含鋼量的影響很大，建筑平面布置外凸與內(nèi)收程度，以及由此形成的建筑物平面剛度和其是否突變等，均對XY軸雙向的動力特性會產(chǎn)生較大影響；兩個方向的剛度差異也會導(dǎo)致不均勻性，從而直接影響整體剛度和配筋，這也是為何平面布置較怪（如風(fēng)車型、工字型、U字型）的高層住宅比規(guī)整的高層住宅造價高的原因之一。
1.2豎向高寬比對含鋼量的影響
豎向高寬比對含鋼量的影響與上一條不相上下，對高寬比大的高層住宅而言，為保證整體穩(wěn)定性必然要增強其側(cè)向剛度，亦即為滿足建筑物抗震、抗風(fēng)和舒適度的需求，就要保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，也就是要相應(yīng)提高抗側(cè)力構(gòu)件的含鋼量。
1.3總高度的變化對含鋼量的影響
由于設(shè)計的高層建筑多為A級，且大部分的結(jié)構(gòu)布置形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，以7度設(shè)防地區(qū)為例，按照規(guī)范80米限值，小于80米的抗震等級為三級，大于80米的抗震等級就提高一個級別為二級，含鋼量隨之便有一個明顯的上升變化。
1.4轉(zhuǎn)換層對含鋼量的影響
一般情況下轉(zhuǎn)換層配筋量相當(dāng)于2～3個標(biāo)準(zhǔn)層的配筋量，而且由于轉(zhuǎn)換層造成豎向抗力構(gòu)件不連續(xù)，轉(zhuǎn)換柱或墻體的配筋也較大，故應(yīng)以盡量避免或減少轉(zhuǎn)換為基本設(shè)計理念。
1.5層高的控制對含鋼量的影響
設(shè)計經(jīng)驗表明層高的控制對含鋼量控制也有較大意義，有數(shù)據(jù)顯示，層高每增加10厘米，含鋼量增加約1.0KG/M2。
1.6抗側(cè)力構(gòu)件的布置對含鋼量的影響
抗側(cè)力構(gòu)件的布置對含鋼量的影響亦不容忽視，構(gòu)件布置合理容易使剛度中心和質(zhì)量中心接近，從而充分發(fā)揮抗側(cè)力構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度，能夠保證扭轉(zhuǎn)位移比在規(guī)定限制內(nèi)，可以避免抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量過多和位置不合理造成的多筋超筋現(xiàn)象。
1.7建筑立面造型及細(xì)部處理對含鋼量的影響
建筑立面豐富，細(xì)部構(gòu)造復(fù)雜對含鋼量控制也有一定的影響，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計建筑風(fēng)格為托斯卡納風(fēng)格的建筑立面，以及帶有轉(zhuǎn)角窗、凸窗、飄窗等細(xì)部構(gòu)造節(jié)點大樣并采用鋼筋混凝土形式時，含鋼量能增加0.5～1.0 KG/M2。
2.結(jié)構(gòu)計算——應(yīng)選取適用的荷載
當(dāng)建筑物高度增加時，水平荷載（風(fēng)荷載及地震作用）對結(jié)構(gòu)起的作用越來越大，除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯加大外，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增加的更快，彎矩和位移與高度成指數(shù)曲線上升關(guān)系。一般而言多層和高層建筑結(jié)構(gòu)都要抵抗豎向和水平荷載作用，但是在高層建筑中，其結(jié)構(gòu)要更多的抵抗水平力，抗側(cè)力成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題；在地震區(qū)，地震作用對高層建筑的威脅也比多層建筑要大。因而在結(jié)構(gòu)計算中荷載輸入值的選用是否正確，關(guān)系到整個工程項目的含鋼量是否正常，亦應(yīng)認(rèn)真對待。例如填充墻開窗門洞處，應(yīng)盡量精確選取線恒載，不得隨意加大。之前，在方案選擇時應(yīng)建議建筑專業(yè)盡量采用輕質(zhì)材料，減輕結(jié)構(gòu)自重。高層建筑室內(nèi)填充墻宜采用各類輕質(zhì)隔墻。，在高層住宅建筑中采用輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系，主要的土建結(jié)構(gòu)造價（包括樓板、外墻、內(nèi)墻、梁、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系等）比傳統(tǒng)磚石混凝土體系的土建結(jié)構(gòu)造價可降低 10%左右，而 GRC（玻璃纖維增強水泥的簡稱）輕質(zhì)墻板容重僅相當(dāng)于同厚度粘土磚砌體密度的 1/3，大大減少了結(jié)構(gòu)荷載，降低了整個建筑的梁、柱及基礎(chǔ)的截面積和含鋼量。
3.結(jié)構(gòu)布置——優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)減少剪力墻數(shù)量
在高層建筑結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)注意適當(dāng)減少剪力墻的布置數(shù)量。而對于剪力墻暗柱箍筋形式設(shè)計時，應(yīng)盡量避免重疊，因重疊部分不計入體積配箍率。當(dāng)約束邊緣構(gòu)件小箍筋采用封閉箍，構(gòu)造邊緣構(gòu)件在剪力墻高度 2/3 以上（從地面算起）采用封閉箍和拉筋間隔放置。縱向鋼筋可選兩種直徑，“角部”放置較大直徑鋼筋。例如連體方案建筑由于連接部位采用大開間剪力墻布置，減少了剪力墻的數(shù)量，在滿足規(guī)范限定指標(biāo)的情況下，可減少含鋼量。實際經(jīng)驗表明加大剪力墻布置間距，減少剪力墻數(shù)量，是減少含鋼量的有效措施。當(dāng)然也要注意由于連體方案平面長寬比較大，只有在低烈度地區(qū)才有減少含鋼量的優(yōu)勢，是建筑物體型中平面長寬比影響因素的特例。實踐中應(yīng)在規(guī)范允許的范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)減少剪力墻數(shù)量，加大框架梁跨度；與建筑專業(yè)協(xié)商，開間布置避免錯位，減少由于框架梁錯位而增加的豎向構(gòu)件，一旦結(jié)構(gòu)布置經(jīng)過優(yōu)化，鋼筋單方含量和混凝土含量即會相應(yīng)減少。高層建筑地下室底板建議采用帶柱帽的普通鋼筋混凝土無梁樓蓋，地下室其余各層、地下室頂板、裙樓和住宅塔樓的樓蓋建議采用普通鋼筋混凝土梁板樓蓋。對于細(xì)部構(gòu)件布置，當(dāng)兩軸尺寸接近時，采用雙向板布置；當(dāng)兩軸尺寸差別較大時，采用單向板布置。
4.水平構(gòu)件——應(yīng)該路徑簡潔、形式合理
水平構(gòu)件的布置應(yīng)使傳遞荷載路徑簡潔，以最快的方式將樓面上的荷載傳遞到結(jié)構(gòu)主體上，再由結(jié)構(gòu)主體的框架柱、剪力墻等豎向構(gòu)件傳遞到基礎(chǔ)和地基。如果采用的平面構(gòu)件布置荷載需要經(jīng)過多級次梁再傳遞到框架梁，就使得荷載傳遞路線曲折不明確，造成構(gòu)件受力復(fù)雜，一定會增加工程造價并影響含鋼量的控制。同樣，構(gòu)件形式的選擇也是這個道理，以地下室梁板式底板與平板式底板的比較為例，帶樁基礎(chǔ)的地下室底板，采用梁板結(jié)構(gòu)要比采用平板式結(jié)構(gòu)可節(jié)省用鋼量，但如果柱網(wǎng)中添加了次梁，則不僅使施工更為復(fù)雜，而且還會增加用鋼量，這一點已在大量工程中得到驗證。
5.結(jié)構(gòu)材料——宜采用高強度鋼筋
一般的辦公、住宅建筑，荷載不太大，但因為要滿足電線埋設(shè)等要求，板厚不宜小于100mm；而普遍的結(jié)構(gòu)布置原則，板的跨度不宜太小，應(yīng)使板的配筋由內(nèi)力控制而不是按構(gòu)造配置。為此，樓板配筋應(yīng)盡量采用 HRB335 或 HRB400 才能實現(xiàn)上述目的，實際經(jīng)驗表明采用高強度鋼筋可以節(jié)省用鋼量，而混凝土強度等級對減小配筋的作用很小，不管樓板是構(gòu)造配筋還是計算配筋，采用 HRB400 鋼筋可有效降低含鋼量。樓板結(jié)構(gòu)混凝土及鋼筋用量一般與建筑層數(shù)無關(guān)，若采用新型樓蓋體系和高強鋼筋可以更有效地減少含鋼量。采用高強度鋼筋，簡支邊支座鋼筋的數(shù)量沒有減少。由于住宅板跨度較小，采用高強度鋼筋后，板底配筋大部分仍為構(gòu)造配筋，因此，節(jié)省鋼筋的數(shù)量比理論計算數(shù)值減少。板垮越大，節(jié)省的鋼筋越多。
6.結(jié)構(gòu)施工圖——不可忽視的微調(diào)
當(dāng)最后進(jìn)入結(jié)構(gòu)施工圖階段，除了細(xì)化初步設(shè)計的成果外，還需要對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)，柱、剪力墻、梁、板和節(jié)點的配筋需進(jìn)一步斟酌，結(jié)構(gòu)的薄弱部位不要超過計算書的10%，一般為不小于5%。此外關(guān)注點也還要放在豎向構(gòu)件的含鋼量控制上（其含鋼量約占40%～50%左右），如果僅需要構(gòu)造配筋，水平筋可考慮用直徑8mm，豎向筋可考慮用直徑8mm、10mm間隔布置。
嚴(yán)控墻、板和梁配筋，剪力墻和板配筋符合構(gòu)造要求的，按規(guī)范最小配筋率進(jìn)行設(shè)計。如果加強區(qū)為200mm或250mm厚的墻水平筋Φ10@150可改為Φ10@200；對非加強區(qū)200mm厚的墻水平筋 Φ8@150可改為Φ8@200；若豎向筋Φ10@200 亦可改為Φ10/8@200。梁配筋將30層分9個標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行設(shè)計。
對于剪力墻體系和短肢剪力墻體系的含鋼量控制，如果層數(shù)在20～30層的住宅，最好采用傳統(tǒng)的全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系。否則若采用短肢剪力墻，體系就會變得較柔，結(jié)構(gòu)頂點位移和層間位移就不一定能滿足規(guī)范要求，且“高規(guī)”對短肢剪力墻的配筋有了更嚴(yán)格的控制，因而含鋼量將會進(jìn)一步加大。
7.結(jié)語
關(guān)鍵詞：高層住宅建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計
Abstract: with the domestic land price and the rising material prices constantly, high-rise buildings become a residential development tendency, especially in recent years high-rise residential buildings almost become the mainstream of the domestic residential area construction form, so the design of high-rise residential buildings are very important, and through the optimization design more can effectively reduce costs. This article mainly high-rise residential buildings the problem of the optimization of the structure design is discussed, the hope can provide some references to related unit.
Keywords: high-rise residential buildings; Structure; design
中圖分類號：TU318文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
引言
自從改革開放以來，中國的建筑行業(yè)經(jīng)歷了一次次質(zhì)的飛躍，尤其是在上個世紀(jì)九十年代至今，中國的房地產(chǎn)業(yè)異軍突起，創(chuàng)造了一個又一個的發(fā)展奇跡。而隨著近年來城市美化運動的不斷興起，城市在新建建筑和舊有建筑改造方面越來越多的選擇了高層建筑，住宅建筑也是如此。如今，在城市的各種居住小區(qū)，高層住宅層出不窮，有數(shù)據(jù)表明，2001年全國城鎮(zhèn)小區(qū)建設(shè)中高層住宅數(shù)量基本在3%左右，其中大多集中于北京上海廣州等大型城市，十年過去之后的2011年，在新建住宅小區(qū)中，高層建筑的比例已經(jīng)提升至22%，不但中大型城市普遍采用高層住宅設(shè)計，小型城市也在不斷向這個方向發(fā)展。這固然有人口不斷向城鎮(zhèn)集中的原因，也有土地價格不斷上漲的原因，所以高層建筑必將不斷增多且有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，基于這樣的形勢，高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的地位變得越來越重要，而在常見的高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了盡可能的讓建筑使用更合理，成本更低，對其進(jìn)行優(yōu)化也是非常必要的。下面本文就以某高層住宅為例對其優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行探討。
1工程概況
某住宅位于A市比較繁華的地段，該住宅樓平面尺寸67.3m×17.9m，總共設(shè)計層數(shù)為二十七層，其中地下一層，地上為二十六層，頂部設(shè)有出屋面電梯機房及水箱間，建筑面積29276.46m2，采用了純剪力墻結(jié)構(gòu)，單元間設(shè)一道變形縫，抗震設(shè)防烈度七度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組為第一組，建筑物場地土類別為Ⅲ類，基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2。變形縫左側(cè)標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置，其中地下室到第五層剪力墻厚度為：外墻250，內(nèi)墻200；從第六層到屋頂剪力墻厚度為：外墻200，內(nèi)墻160；電梯間剪力墻厚均為160。基礎(chǔ)型式為筏板基礎(chǔ)，CFG樁復(fù)合地基。采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列軟件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的計算。
2優(yōu)化設(shè)計
2.1設(shè)計方案的優(yōu)化
在純剪力墻中，剪力墻作為抗側(cè)力單元，同時承擔(dān)豎向荷載和地震作用。本工程通過抗側(cè)力構(gòu)件的合理布置，在地震作用下，使結(jié)構(gòu)的各項目標(biāo)參數(shù)均符合規(guī)范要求，并在此前提下，不斷優(yōu)化，盡量減少剪力墻的數(shù)量和厚度，使結(jié)構(gòu)兩方向剛度基本接近，兩個方向水平位移均接近規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)布置更加經(jīng)濟(jì)合理。并在本地區(qū)率先使用160厚剪力墻，從承載力方面來看，使剪力墻的作用得到充分的發(fā)揮；從地震作用來看，減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，從而減小結(jié)構(gòu)的地震作用；并因此減輕了建筑的自重，也相應(yīng)減少了基礎(chǔ)工程的投資。
本工程樓層最大位移：X方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角:1/1394；Y方向地震力作用下的樓層最大值層間位移角:1/1220；高規(guī)規(guī)定剪力墻結(jié)構(gòu)樓層最大值層間位移角限值:1/1000。
2.2基礎(chǔ)及地基處理的優(yōu)化
高層建筑基礎(chǔ)的合理選型與設(shè)計是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個極其重要和非常關(guān)鍵的部分?；A(chǔ)的工程造價在高層建筑整個工程造價中所占的比例較高，尤其在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的情況下更是如此。所以選用合理的基礎(chǔ)形式或地基處理方式，對降低工程造價起著至關(guān)重要的作用。
該工程地基承載力特征值為250kPa，基底壓力為415kPa，天然地基不能滿足設(shè)計要求，根據(jù)工程地質(zhì)勘查報告，可采取鉆孔灌注樁或CFG樁復(fù)合地基，就這兩種處理方案在滿足承載力和變形的前提下加以比較。方案一：采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，樁徑φ800，樁長18米，樁數(shù)174根?；炷劣昧?574m3，鋼筋用量45t。方案二：采用長螺旋鉆孔泵壓CFG樁復(fù)合地基，樁徑φ400，樁長15米，樁數(shù)523根。混凝土用量985m3。初步估算，方案一造價為313.2萬元，方案二造價為34.5萬元，僅為方案一的11%。
2.3材料的優(yōu)化
（1）采用高強度鋼筋
基礎(chǔ)和梁采用HRB400級鋼筋，HRB400級鋼筋強度設(shè)計值與HRB335級鋼筋強度設(shè)計值之比為360/300=1.2;目前其綜合價格比為1.05，據(jù)資料統(tǒng)計，用強度高的HRB400級鋼筋取代強度低的HRB335級鋼筋可節(jié)約鋼材約14%，這是降低鋼筋用量最直接的措施。
（2）采用輕質(zhì)隔墻
內(nèi)隔墻采用輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系，與輕質(zhì)砌塊隔墻相比，輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系具有自重輕、干法作業(yè)，安裝效率高，易于拆改、施工快捷，縮短工期的優(yōu)點，近年來在高層住宅建筑中得以廣泛應(yīng)用。以99mm厚的輕質(zhì)石膏板隔墻為例，其重量為23kg/m2，是相同厚度砌塊隔墻重量的28%，可顯著節(jié)省建筑承重結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)費用，降低土建結(jié)構(gòu)造價。
結(jié)束語
近年來，隨著國家對土地的控制越來越嚴(yán)格，以及各種成本的增加，高層建筑開始應(yīng)用于住宅，而且在很大程度上會成為將來主流的住宅形式。建筑行業(yè)的投資往往比較大，企業(yè)要想生存發(fā)展，就必須要做好相應(yīng)的成本控制工作，而在目前的高層住宅建筑中，設(shè)計工作雖然開展的不錯，但是還是有很多可以優(yōu)化的地方，只要在滿足相關(guān)的規(guī)范條件下，優(yōu)化之后的高層住宅建筑往往可以取得較好的經(jīng)濟(jì)成果。在本文所列舉的工程中，通過以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計，在符合現(xiàn)行國家規(guī)范前提下，減少了建筑的混凝土用量和鋼筋用量，即取得了較好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并達(dá)到了較佳的設(shè)計效果。
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