某12層住宅樓結(jié)構(gòu)方案對比分析.doc

小高層住宅樓結(jié)構(gòu)方案對比分析李長青東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030摘要：在住宅、板式、小高層等幾個限定條件下，分別分析了普通剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)、扁柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)、配筋砌體結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，通過對五種結(jié)構(gòu)方案的綜合討論，提出了合理的結(jié)構(gòu)型式，為結(jié)構(gòu)工程師提出了設(shè)計建議，以供工程設(shè)計參考。關(guān)鍵詞：小高層；住宅；結(jié)構(gòu)方案；短肢剪力墻；扁柱框架Comparison and analysis of structure for small high-rise residential buildingLI Chang-QingCollege of Water Conservancy and Building Engineering, Northeast Agricultural University, Haerbin 150030,chinaAbstract：Analyze the relative merits of shear wall structure、short-pier shear wall structure、flat column frame structure、special-shaped column frame shear wall structure and reinforced masonry structure in residential、slab-type、small high-rise and so on conditions. Based on the discussion of five types of structures,obtain a kind of reasonable form. Put forward suggestion to Structural Designer.And offer references for certain projects.Key words：small high-rise, residence, structural style, short-pier shear wall, flat column1 設(shè)計條件假定哈爾濱地區(qū)，某12層住宅樓，地質(zhì)條件良好。建筑方案已給定，為板式小高層，共三個單元，每梯兩戶，戶形簡潔，設(shè)置一部電梯。要求結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在結(jié)構(gòu)概念設(shè)計層面上，定性分析幾種可以采用的結(jié)構(gòu)形式，從中確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并給出設(shè)計建議。建筑平面方案如圖一所示：圖1 建筑平面方案（截取一個單元）2 結(jié)構(gòu)方案對比根據(jù)給定條件，確定本工程可以采用的結(jié)構(gòu)形式有普通剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)、扁柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)、配筋砌體結(jié)構(gòu)五種形式，分別分析如下：21 普通剪力墻結(jié)構(gòu)普通剪力墻結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸形成了完善的計算理論和豐富的設(shè)計經(jīng)驗。該結(jié)構(gòu)形式受力明確，傳力路徑清晰，單肢墻截面形式簡單，結(jié)構(gòu)整體剛度好，而且現(xiàn)在的研究和實踐表明，剪力墻結(jié)構(gòu)的延性也非常好；在高層建筑中，其抵抗風(fēng)荷載和豎向地震作用的能力突出；另外，成片墻體在施工中可以使用組合鋼模板，施工速度快。但是其結(jié)構(gòu)自重大、由于抗側(cè)剛度大而帶來的地震反應(yīng)過大等結(jié)構(gòu)缺點也不容忽視，而且經(jīng)過計算，過長的墻肢基本不能充分發(fā)揮承載力，墻體配筋基本為構(gòu)造配筋，經(jīng)濟性不好。本工程為小高層住宅樓，建筑高度超出抗規(guī)要求的普通砌塊砌體結(jié)構(gòu)允許高度；住宅樓要求室內(nèi)盡量無突出的陽角構(gòu)件，據(jù)此排除普通框架結(jié)構(gòu)；底層無商服等大空間需要，因此普通剪力墻結(jié)構(gòu)是一個不錯的選擇。本工程縱向與橫向長度比接近6：1，所以結(jié)構(gòu)上注意控制橫向剛度，以保證在計算雙向地震作用，并考慮扭轉(zhuǎn)耦連作用時能夠滿足要求。布置剪力墻的時候，橫向盡量布置長肢墻，減少開洞，縱向則適當(dāng)開大洞。電梯井道布置剪力墻筒體，其他墻體對稱布置，以保證剛度中心與質(zhì)量中心盡量重合，避免扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。剪力墻布置圖見圖二：圖2 普通剪力墻結(jié)構(gòu)布置圖（截取一個單元）22 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)由于普通剪力墻結(jié)構(gòu)墻體布置過多，自重大、延性差，對住宅空間嚴(yán)格限定與分隔，且經(jīng)濟性不好，因此隨著人們對住宅平面與空間的要求越來越高，普通剪力墻結(jié)構(gòu)已不能滿足人們的要求。于是在原有剪力墻的基礎(chǔ)上，吸收了框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，逐步發(fā)展形成了能適應(yīng)人們新的住宅觀念的高層住宅結(jié)構(gòu)型式，即短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。首先明確一個概念，高規(guī)7.1.2 明確規(guī)定高層建筑結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。所謂短肢剪力墻結(jié)構(gòu)是指短肢剪力墻所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的 40%50%，大于50%則認(rèn)為是不合理的結(jié)構(gòu)方案，必須整改。另外，高規(guī)7.1.2.3規(guī)定，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，其抗震等級應(yīng)按高規(guī)4.8.2表格規(guī)定提高一級取用，這意味著設(shè)計計算和構(gòu)造措施將更加嚴(yán)格。在小高層住宅中，與普通剪力墻結(jié)構(gòu)相比，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)布置靈活，墻的數(shù)量和肢長根據(jù)抗側(cè)力的需要而定，數(shù)量可多可少，肢長可長可短，還可通過不同的尺寸和布置以調(diào)整剛度和剛度中心的位置；可以充分利用墻肢的承載能力，避免普通剪力墻結(jié)構(gòu)中墻體過長而通常為構(gòu)造配筋的浪費；結(jié)構(gòu)自重輕，降低主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價，在地耐力較低的情況下經(jīng)濟效益尤其顯著；結(jié)構(gòu)自振周期長，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度小，地震反應(yīng)減??；主體結(jié)構(gòu)中大多數(shù)墻肢呈受彎工作狀態(tài)，從而保證墻體具有足夠的延性；大多數(shù)連梁的跨高比大于2. 5，降低了連梁的自身剛度，避免連梁的剪切破壞，使連梁也具有足夠的延性，進(jìn)一步增強結(jié)構(gòu)整體延性。本工程在內(nèi)外墻連接處、縱橫墻連接處布置帶有翼墻的L形、T形短肢墻，電梯井道布置剪力墻筒體。由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)整體抗震性能較差，所以注重構(gòu)造措施，加強外墻轉(zhuǎn)角等薄弱部位的構(gòu)造配筋。同時，由于墻肢的剛度減小，連梁已經(jīng)接近普通框架梁，設(shè)計時下調(diào)剛度的幅度不宜過大，按普通框架梁要求，控制混凝土受壓區(qū)高度。剪力墻布置圖見圖三：圖3 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案布置圖（截取一個單元）23 扁柱框架結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)受力明確，具有開放的、可變的建筑空間，因此，在不斷追求空間利用率的趨勢下，與其他結(jié)構(gòu)形式相比，框架結(jié)構(gòu)具有得天獨厚的優(yōu)勢。但在住宅建筑中，框架結(jié)構(gòu)外凸的梁柱嚴(yán)重影響了房間內(nèi)寸土寸金的使用面積，于是，結(jié)構(gòu)工程師們開始尋求框架結(jié)構(gòu)的衍生形式，扁柱框架結(jié)構(gòu)即是其中之一。其最大優(yōu)點在于，既具有框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，又解決了梁柱占用建筑空間的問題。綜合高規(guī)7.1.2-8注、6.4.1-3、混凝土規(guī)范10.5.1、抗規(guī)6.3.6-3、6.4.9和異形柱規(guī)范2.1.1中對豎向構(gòu)件類型的規(guī)定，構(gòu)件截面高厚比小于3時，矩形截面必須按矩形柱設(shè)計；大于3小于4時，矩形截面宜按矩形柱設(shè)計；截面為L、T、十字形，且高厚比小于4時，按異形柱設(shè)計；高厚比大于4小于8時為短肢剪力墻，大于8時為普通剪力墻。關(guān)于扁柱框架結(jié)構(gòu)，規(guī)范中沒有提及，只是相對于常規(guī)框架柱截面高厚比接近1來說，該結(jié)構(gòu)柱截面高厚比接近3，呈狹長形式而得名，其仍屬于框架結(jié)構(gòu)，仍可按常規(guī)框架理論計算分析，但其狹長的截面形式注定其受力與普通框架結(jié)構(gòu)有很大差異，應(yīng)用于本工程，其缺點如下：（1），計算理論尚待完善。很多柱承受兩個方向的偏心荷載，或者同一個方向承受不同軸線的荷載，應(yīng)用鋼筋混凝土偏心受壓柱理論計算稍顯牽強，又沒有專門的計算公式可依，實際設(shè)計時經(jīng)常采用經(jīng)驗判斷和力學(xué)概念判斷，設(shè)計結(jié)果與實際受力情況有一定差異。（2），結(jié)構(gòu)縱向剛度難以保證。因為橫向為結(jié)構(gòu)剛度弱方向，所以布置柱的時候，柱子長向沿結(jié)構(gòu)橫向布置，以彌補結(jié)構(gòu)橫向剛度不足，短向與墻厚相同，一般取200mm，但這樣，如果建筑整體長寬比不是很大，其縱向結(jié)構(gòu)剛度將難以保證，需要計算其剛度，并按結(jié)果采取相應(yīng)調(diào)整措施。（3），柱子均處于大偏心受壓狀態(tài)，柱底彎矩過大，相應(yīng)配筋和構(gòu)造措施將加大。（4），因為住宅平面不規(guī)則，有些柱兩側(cè)的梁不同軸，承受水平地震作用時，柱內(nèi)將產(chǎn)生較大的扭矩，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，將極大地增加柱的抗扭縱筋和箍筋。（5），為了實現(xiàn)梁柱不占用建筑空間的目的，梁與柱同寬，這意味著為了保證梁不超筋，梁高將要加大，因此要控制柱間距，以避免深梁出現(xiàn)。本工程在內(nèi)外墻轉(zhuǎn)角、縱橫墻交接處處布置扁柱，并保證各方向形成框架，具體布置方案如圖所示：圖4 扁柱框架結(jié)構(gòu)方案布置圖（截取一個單元）24 異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)異形柱也是為了克服普通梁柱占用建筑空間的問題，為了適應(yīng)住宅樓而由普通柱框架結(jié)構(gòu)衍生出來的一種柱截面形式。異形柱可以設(shè)計框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，按照異形柱規(guī)范3.1.2要求，6度抗震區(qū)，異形柱框架結(jié)構(gòu)最大適用高度為24米，大約可建造八層以下住宅，不適于本工程，所以采用異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)。異形柱的破壞形態(tài)為彎曲破壞、小偏壓破壞、壓剪破壞等，影響其破壞形態(tài)的因素有：荷載角、軸壓比、剪跨比，配箍率以及箍筋間距S與縱筋直徑D的比值等。由于其受力性能的復(fù)雜，設(shè)計中必須通過可靠的計算和必要的構(gòu)造措施來保證其強度和延性。異形柱具有如下受力特征：（1），墻肢平面內(nèi)外兩個方向剛度相差較大，導(dǎo)致各向剛度不一致，其各向承載能力也有較大差異。（2），異形柱通常屬于短柱范圍（H/h4），且屬薄壁構(gòu)件，剪切變形占有相當(dāng)比例，構(gòu)件變形能力下降，延性較差。（3），異形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面外，受力時要靠各柱肢交點處核心砼協(xié)調(diào)變形和內(nèi)力，這種變形協(xié)調(diào)使各柱肢內(nèi)存在相當(dāng)大的翹曲應(yīng)力和剪應(yīng)力，而該剪應(yīng)力的存在，使柱肢易先出現(xiàn)裂縫，也使得各肢的核心砼處于三向剪力狀態(tài)，它使得異形柱較普通截面柱變形能力低，脆性破壞明顯。（4），異形柱存在著單純翼緣柱肢受壓的情況，使其延性更差。本工程采用異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計中嚴(yán)格按照異形柱規(guī)范和高規(guī)等相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，特別注重軸壓比的控制和構(gòu)造措施。本工程結(jié)構(gòu)方案布置圖如下圖所示：圖5 異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)方案布置圖（截取一個單元）25 配筋砌體結(jié)構(gòu)雖然抗規(guī)和砌體規(guī)范對砌體結(jié)構(gòu)房屋高度有嚴(yán)格限制，但隨著全球建筑向綠色環(huán)保方向發(fā)展，新型建筑材料不斷涌現(xiàn)，推動了高強度砌塊砌體結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，目前國內(nèi)已建成很多配筋砌體建筑物，其中不乏高層建筑，例如上海建成的18層塔樓，哈爾濱建成的12層和18層樓房。建筑材料發(fā)展緩慢，新型建筑材料不能量產(chǎn)，嚴(yán)重制約了配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，我國最早嘗試建造的配筋砌體房屋所用的砌塊都是人工兩次振搗成型的，人力消耗過大，根本不能量產(chǎn)，后來上海和哈爾濱建造的房屋都是采用美國的設(shè)備制造的砌塊，抗壓強度能達(dá)到20MPa，材料造價較高。另外，雖然國際標(biāo)準(zhǔn)的砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范早已開始執(zhí)行，而且我國負(fù)責(zé)主編了配筋砌體設(shè)計規(guī)范，并依據(jù)將該成果，修訂頒布了我國砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范2001版，但是受到材料發(fā)展的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計師一直不愿意嘗試這一結(jié)構(gòu)形式。配筋砌體結(jié)構(gòu)在高層建筑中有很多優(yōu)勢：（1），受力合理。屬于基于另一種建筑材料的剪力墻結(jié)構(gòu)，受力明確；（2），降低成本。砌塊的源材料來源廣泛，與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，配筋率降低，施工過程中無需大量模板；（3），節(jié)能環(huán)保。與普通燒結(jié)粘土磚相比，其不但強度高，而且生產(chǎn)過程無污染，不浪費土地；（4），施工速度快，砌筑過程簡單，在不受材料供應(yīng)和天氣影響的情況下，基本34天可建完一層，大大提高施工速度。因此，本工程擬突破設(shè)計習(xí)慣，尊重理論成果，采用混凝土小型空心砌塊砌體結(jié)構(gòu)，按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計。3 結(jié)論通過對以上各種結(jié)構(gòu)形式的分析，明確了各結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，最終本工程選定的結(jié)構(gòu)形式為“有較多短肢剪力墻的普通剪力墻結(jié)構(gòu)”，即在保證短肢剪力墻所承受的一階震型傾覆力矩不超過結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的40%的前提下，盡可能多地布置短肢墻，這樣即回避了高規(guī)中關(guān)于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級提高一級的規(guī)定，又能最大限度地保證建筑空間、節(jié)約成本。與之相比，扁柱框架結(jié)構(gòu)和異形柱框剪結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，抗震性能不好，需要嚴(yán)格的構(gòu)造措施保證抗震能力，結(jié)構(gòu)的綜合可靠性和經(jīng)濟性都不夠優(yōu)秀。而配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)一方面有建筑材料限制的先天劣勢，而且其對建筑空間的限定嚴(yán)格。又因為砌體與混凝土結(jié)構(gòu)的變形模量不相同，在地震作用下難以協(xié)同工作，就不能仿效混凝土短肢墻設(shè)計成大開洞結(jié)構(gòu)。因此，經(jīng)過綜合比較，最終選定了“有較多短肢剪力墻的普通剪力墻結(jié)構(gòu)”這樣一種形式，其具有成熟的計算理論和設(shè)計經(jīng)驗，而且結(jié)構(gòu)安全可靠，又符合住宅建筑對空間的要求，是本工程的不二之選。最終選定的結(jié)構(gòu)方案如下圖所示：圖6 最終選定的結(jié)構(gòu)方案布置圖（截取一個單元）本文全面分析了小高層住宅樓可以采用的幾種結(jié)構(gòu)形式，明確了各種形式的優(yōu)缺點，并提出了針對本工程比較合理的結(jié)構(gòu)形式。希望本文在實際工程設(shè)計中，對結(jié)構(gòu)工程師有所幫助。4 參考文獻(xiàn)1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JGJ3-2002）.北京：中國建筑工業(yè)出版社 20022 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB