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

焦 點

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司)

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

焦 點

(中國瑞林工程技術(shù)有限公司)

隨著當(dāng)前我國經(jīng)濟社會的不斷進步，高層建筑越來越廣泛的出現(xiàn)在人們的生活中。作為一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進行結(jié)構(gòu)選型時，不僅要考慮結(jié)構(gòu)體系的適用性與經(jīng)濟性，還要充分考慮抗震性能等幾方面。本文就以某小區(qū)為例，對目前普遍采用的幾種結(jié)構(gòu)形式進行分析比較。

小高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；抗震性能

一、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本特點

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與低層、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、施工工期長短和投資造價的高低等。其主要特點有；

1、水平力是設(shè)計主要因素

高層建筑中，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重要影響，但水平荷載卻起著決定性作用。因為建筑自重和樓面使用荷載在豎向構(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)計要求更高

有抗震設(shè)防的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除要考慮正常使用時的豎向荷載、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)計指標(biāo)

相對于較低樓房而言，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)在進入塑性變形階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC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，對稱結(jié)構(gòu)，層高均為2.9m，建筑物總高34.8m，長34.2m，寬14.7m，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(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)計軟件”程序及有關(guān)規(guī)范對不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行計算并分析比較。

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34.8m。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，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。

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，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。

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?？偢叨葍H34.8m，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，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。

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，抗震等級為三級．SATWE程序計算結(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(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)計中應(yīng)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0.9，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 45m，柱中距不大于7.2m?？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(dāng)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。

5、普通剪力墻結(jié)構(gòu)

此方案的特點是根據(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，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。

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)驗不多，為安全起見，對這種結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(shè)計值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴(yán)格的限制。

四、計算結(jié)果的比較

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(guān)系。

水平地震剪力。框架結(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。

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。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，設(shè)計師應(yīng)充分重視概念設(shè)計，根據(jù)其受力的特點，了解其破壞的各種機理合理、對稱、均勻地布置短肢墻，正確掌握計算機分析方法和截面設(shè)計，并不斷地總結(jié)經(jīng)驗，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。

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

TU7

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1007-6344（2015）09-0139-01