焦 點(diǎn)

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司)

關(guān)于高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比探討

焦 點(diǎn)

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司)

隨著當(dāng)前我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步，高層建筑越來(lái)越廣泛的出現(xiàn)在人們的生活中。作為一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型時(shí)，不僅要考慮結(jié)構(gòu)體系的適用性與經(jīng)濟(jì)性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。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。

小高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；抗震性能

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本特點(diǎn)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低層、多層建筑結(jié)構(gòu)相比較，結(jié)構(gòu)專業(yè)在各專業(yè)中占有更重要的位置，不同結(jié)構(gòu)體系的選擇，直接關(guān)系到建筑平面的布置、立面體形、樓層高度、施工工期長(zhǎng)短和投資造價(jià)的高低等。其主要特點(diǎn)有；

1、水平力是設(shè)計(jì)主要因素

高層建筑中，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因?yàn)榻ㄖ灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與建筑高度的一次方成正比；而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩、以及由此在豎向構(gòu)件中所引起的軸力，是與建筑高度的兩次方成正比。

2、側(cè)移成為控制指標(biāo)

隨著樓房高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

3、抗震設(shè)計(jì)要求更高

有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除要考慮正常使用時(shí)的豎向荷載、風(fēng)荷載外，還必須使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，做到小震不壞、大震不倒。

4、結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)

相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，在地震作用下的變形更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(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。

二、案例概述

某小區(qū)的十二層，一梯兩戶兩單元住宅，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，層高均為2.9m，建筑物總高34.8m，長(zhǎng)34.2m，寬14.7m，每層面積490m2，總面積5880m2，抗震烈度為6度，場(chǎng)地土類別為三類，基本風(fēng)壓：0.6kn／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”程序及有關(guān)規(guī)范對(duì)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算并分析比較。

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60m以下。框架結(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型的實(shí)際使用面積及家具布置。

2、異型柱框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《砼異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ149—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34.8m。故不宜采用異型柱框架結(jié)構(gòu)。

3、框架剪力墻結(jié)構(gòu)

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型的實(shí)際使用面積及家具布置。

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，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題。

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，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題。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)類型。

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。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。

三、結(jié)構(gòu)抗震性能的比較

1、框架結(jié)構(gòu)

用于多層及小高層結(jié)構(gòu)，即建筑物高度小于28m，對(duì)于大于30m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)在水平荷載的作用下，水平位移及層間位移為最大；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型的實(shí)際使用面積及家具布置。而且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上，往往出現(xiàn)單跨框架的現(xiàn)象，成為抗震薄弱環(huán)節(jié)。

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)。

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0.9，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題。

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題。6度地區(qū)，框架剪力墻結(jié)構(gòu)總高度不得超過(guò) 45m，柱中距不大于7.2m?？拐鸬燃?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)法滿足軸力和抗側(cè)力的要求。

5、普通剪力墻結(jié)構(gòu)

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，尤其在戶型的實(shí)際使用面積及家具布置中。

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，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。

四、計(jì)算結(jié)果的比較

地震周期?？蚣芙Y(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。

水平地震剪力?？蚣芙Y(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。

最大層間位移?？蚣芙Y(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。

結(jié)構(gòu)自重?？蚣芙Y(jié)構(gòu)最大，其余結(jié)構(gòu)相差不大，活載相差不大。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。

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，其余結(jié)構(gòu)相差不大(約1333)。相差了146／13.1=1.1倍。

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，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。

工程造價(jià)。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型桂剪力墻結(jié)構(gòu)較大，框架結(jié)構(gòu)最小(349元m2／ )。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。

五、結(jié)論

綜上所述，各種類型均有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)師應(yīng)充分重視概念設(shè)計(jì)，根據(jù)其受力的特點(diǎn)，了解其破壞的各種機(jī)理合理、對(duì)稱、均勻地布置短肢墻，正確掌握計(jì)算機(jī)分析方法和截面設(shè)計(jì)，并不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)建筑物所處的地區(qū)、業(yè)主的要求以及地質(zhì)條件在滿足國(guó)家規(guī)范及強(qiáng)制性條文的要求下選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。

[1]（建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范）(GB50007-2002)

TU7

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1007-6344（2015）09-0139-01