小高層建筑結(jié)構(gòu)型式的探討

張　靖

摘 要：本文通過工程實例對目前較為普遍的小高層住宅的結(jié)構(gòu)體系進行適用性、經(jīng)濟性、抗震性能等幾方面的比較，并論述了各種結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點，對工程同行及業(yè)主在結(jié)構(gòu)方案設計階段確定結(jié)構(gòu)選型時，具有較高的參考價值。

關鍵詞：小高層住宅；適用性；經(jīng)濟性；抗震性能

1 緒言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進程的進一步深入，城市居民對住房要求日益提高。但城市土地資源的稀缺勢必要求住宅向高層發(fā)展，其中小高層住宅日益成為業(yè)主及用戶的首選。對小高層住宅的結(jié)構(gòu)設計，首先擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的是結(jié)構(gòu)選型的問題，到底何種結(jié)構(gòu)體系在適用性、經(jīng)濟性、抗震性能等幾方面為最佳呢?本文就以某小區(qū)為例，對目前普遍采用的幾種結(jié)構(gòu)形式進行分析比較，以期拋磚引玉，為工程同行及業(yè)主在結(jié)構(gòu)方案設計階段確定結(jié)構(gòu)選型時，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，一梯兩戶兩單元，對稱結(jié)構(gòu)，層高均為2.90m，建筑物總高34.80m，長34.20m，寬14.70m，每層面積490m2，總面積5880m2，抗震烈度為6度，場地土類別為三類，基本風壓：0.60kn/m，采用“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設計軟件”(SATWE)程序及有關規(guī)范對不同的結(jié)構(gòu)方案進行計算并分析比較。

2．1 框架結(jié)構(gòu)

此方案的特點是一般用于多層結(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型的實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)的一個派生結(jié)構(gòu)形式，它除了具有框架結(jié)構(gòu)的特點外，與墻同寬的異型柱很好地解決了建筑平面使用問題。根據(jù)行業(yè)標準《砼異型柱結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》JGJl49－2006第3.1.2條抗震設計為6度時，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)設計中應用廣泛，此方案的特點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，又具有較大的剛度和較強的抗震能力。但內(nèi)凸的框架柱同樣影響到戶型的實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派生結(jié)構(gòu)形式，此方案的特點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，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。

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)設計中應用廣泛。此方案的特點是根據(jù)建筑平面布局而設置鋼筋砼墻，與墻同寬的剪力墻很好地解決了建筑平面使用問題。該總高度僅34.8m，抗震設防烈度為6度區(qū)，若采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，造價高，故不作為該工程的首選結(jié)構(gòu)類型。

2．6 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

此方案的特點是適應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，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H大于30.0m的框架結(jié)構(gòu)，在抗震設防烈度為6度地區(qū)，《高規(guī)》第4.8.2條規(guī)定，抗震等級為三級，SATWE程序計算結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)在水平荷載(風荷載及地震荷載)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型的實際使用面積及家具布置。而且，最為嚴重的是，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，地震中填充墻損壞嚴重，修復費用很高。故對高層結(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)的房屋應在一定的高度及適用范圍內(nèi)應用，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)技術規(guī)程》適用于總高度小于24m的房屋。當建筑的高度較高時，異形柱無法滿足軸力和抗側(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)設計中應用廣泛，此方案的特點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，及實際計算中若軸壓比大于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派生結(jié)構(gòu)形式，此方案的特點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，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45.0m，柱中距不大于7.20m?？拐鸬燃壷援愋沃猩鲜龅南拗茥l件，主要是異形柱的肢長較短，當建筑的高度較高時，異形柱無法滿足軸力和抗側(cè)力的要求。在6度設防地區(qū)，建筑物高度大于18.0m抗震等級即為三級，這點較框架結(jié)構(gòu)(60.0m)嚴格。

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)設計中應用廣泛。此方案的特點是根據(jù)建筑平面布局而設置鋼筋砼墻，適當部位開結(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，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)應用經(jīng)驗不多，為安全起見，對這種結(jié)構(gòu)抗震設計的最大適用高度、使用范圍、抗震等級、墻肢厚度、軸壓比、截面剪力設計值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴格的限制。

4 計算結(jié)果的比較

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)的剛度有直接關系。

4．2 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。

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，故在高層計算中，一般可不考慮恒活最不利組合，這對計算結(jié)果幾乎無影響。

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。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。

4．8 基礎造價。根據(jù)第4.4項的分析結(jié)果，基礎造價基本上與建筑物結(jié)構(gòu)自重一致，這里不另做分析比較。

5 結(jié)論

對以上各類結(jié)構(gòu)形式進行分析，各種類型均有優(yōu)缺點，設計人員應根據(jù)建筑物所處的地區(qū)、業(yè)主的要求以及地質(zhì)條件在滿足國家規(guī)范及強制性條文的要求下選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。