正陽(yáng)建工建筑工程有限公司 葉海峰

小高層住宅鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

正陽(yáng)建工建筑工程有限公司 葉海峰

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮，我國(guó)小高層建筑發(fā)展迅速，結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化，設(shè)計(jì)思想也在不斷更新，小高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于建筑中，小高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著光明的應(yīng)用前景。

一、小高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅的基本結(jié)構(gòu)形式

1．框架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是開(kāi)間大、靈活性好、抗震性能較好，造價(jià)較低，但由于柱截面大于隔墻厚度而造成柱角外凸，影響家具的布置和美觀，有時(shí)由于住宅中房間分隔的不規(guī)則性又造成柱網(wǎng)的難以布置。

2．框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻就組成了框架——剪力墻結(jié)構(gòu)。它是小高層住宅中應(yīng)用比較廣泛的一種主體結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是平面靈活，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，能使框架、剪力墻兩種有不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同發(fā)揮作用。

3．大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)代的發(fā)展和人們生活水平的提高，原來(lái)建造的小開(kāi)間剪力墻體系住宅在建筑功能上的局限性變得日益明顯。從強(qiáng)度方面看，小開(kāi)間結(jié)構(gòu)中墻體的作用不能得到充分發(fā)揮，并且過(guò)多的剪力墻布置還會(huì)導(dǎo)致較大的地震力，增加工程費(fèi)用，另外，由于結(jié)構(gòu)自重較大，也增加了基礎(chǔ)投資，因此，大開(kāi)間剪力墻應(yīng)運(yùn)而生。

4．短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。短肢剪力墻（墻肢截面高度與厚度之比為5～8的剪力墻）介乎于異形框架柱和一般剪力墻之間，由于這種結(jié)構(gòu)體系在建筑功能、結(jié)構(gòu)形式、投資效益、節(jié)能指標(biāo)等多方面效果良好，己成小高層住宅的主要結(jié)構(gòu)形式。

二、 小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

1．水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素。在低層住宅中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；而在小高層住宅中，盡管豎向荷載仍對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對(duì)某一特定建筑來(lái)說(shuō)，豎向荷載大體上是定值；而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。

2．軸向變形不容忽視。對(duì)于采用框架體系或框架——剪力墻體系的小高層住宅，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，此種差異軸向變形將會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座產(chǎn)生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。

3．側(cè)移成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)。與低層住宅不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移一般與房屋高度H的四次方成正比。在設(shè)計(jì)小高層住宅時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，而且還要有足夠的抗側(cè)移剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移控制在一定范圍內(nèi)。這是因?yàn)椋哼^(guò)大的側(cè)移會(huì)使人不舒服，影響房屋的正常使用；過(guò)大的側(cè)移會(huì)使隔墻、圍護(hù)墻以及它們的高級(jí)飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會(huì)使電梯軌道變形而導(dǎo)致不能正常運(yùn)行；過(guò)大的側(cè)移會(huì)因P—△效應(yīng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至因側(cè)移與附加內(nèi)力的惡性循環(huán)導(dǎo)致建筑物的倒塌。

4．結(jié)構(gòu)延性是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。相對(duì)于低層住宅而言，小高層住宅更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，?lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。

三、小高層住宅鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

1．優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。在無(wú)成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析軟件的情況下，主要是應(yīng)用小高層住宅結(jié)構(gòu)分析軟件，采用人工分析進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的方法對(duì)不同的結(jié)構(gòu)選型和布置不斷地進(jìn)行方案分析比較，以獲得比較理想的結(jié)構(gòu)方案，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常用的也是最簡(jiǎn)單的優(yōu)選或者說(shuō)是優(yōu)化方法。用概念設(shè)計(jì)的方法所得的方案是較合理、經(jīng)濟(jì)的，雖其費(fèi)工費(fèi)時(shí)、對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)要求較高，但這種依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工優(yōu)化的方法仍是當(dāng)前普遍采用的方法。

2．抗震性能分析。對(duì)結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)足夠的承載能力和變形能力是兩個(gè)需要同時(shí)滿足的條件。結(jié)合概念設(shè)計(jì)的理念，對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對(duì)比分析，電算程序可以采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，還要求其有適當(dāng)?shù)膭偠?。高層結(jié)構(gòu)的使用功能和安全與其側(cè)移的大小密切相關(guān)，過(guò)大的側(cè)向變形會(huì)使隔墻、維護(hù)墻及其飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞。結(jié)構(gòu)分別按考慮5%的偶然偏心和雙向地震力作用的不利情況計(jì)算出各結(jié)構(gòu)體系層間位移角，剪力墻結(jié)構(gòu)小于框剪結(jié)構(gòu)，但均小于規(guī)范要求，且富余量較大，說(shuō)明兩種結(jié)構(gòu)體系滿足剛度要求。

在使用性能方面，剪力墻結(jié)構(gòu)由于墻體太多，結(jié)構(gòu)自重大，導(dǎo)致了較大的地震作用，混凝土和鋼材用量也較高；同時(shí)也增加了基礎(chǔ)工程的投資，而且限制了建筑上的靈活使用。而框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是平面使用靈活，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，能使框架、剪力墻兩種有著不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同發(fā)揮作用。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。

3．經(jīng)濟(jì)性比較。我們通過(guò)對(duì)3種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)直接費(fèi)用的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)3種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)單位面積直接費(fèi)用相差不是很多，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用最大，框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用最小，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用比框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用高出12.5%，比大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用高出7.3%，大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用比框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)用高出4.9%。3種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)的次要項(xiàng)目造價(jià)基本相同。單位面積造價(jià)框架——剪力墻結(jié)構(gòu)的最小，大開(kāi)間剪力墻結(jié)構(gòu)的次之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的造價(jià)較大，3種結(jié)構(gòu)體系直接費(fèi)用最大相差不到45元/m2元。

伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平也有了進(jìn)一步的提高，隨之用戶對(duì)住宅的功能提出更高的要求，希望在使用建筑物過(guò)程中具有更大的靈活性，能夠適應(yīng)多功能變換的需求。因此，設(shè)計(jì)單位在拿到開(kāi)發(fā)單位的設(shè)計(jì)意圖后，能夠?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)美觀又使用安全的好產(chǎn)品出來(lái)。