高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點事項研究

耿小龍

摘 要：隨著城市化進程加快，商業(yè)用地成本趨高，高層住宅日趨增多，為迎合建設(shè)方實現(xiàn)利潤最大化要求，需對高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，以有效控制工程造價，實現(xiàn)最佳建造經(jīng)濟與建筑質(zhì)量的協(xié)調(diào)。本文首先從高層住宅建筑結(jié)構(gòu)形式展開論述，然后分析高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的特征，最后就高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點進行探討。

關(guān)鍵詞：高層住宅;建筑結(jié)構(gòu);設(shè)計要點

高層住宅是城市發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分。在人類的住宅發(fā)展過程中，建筑造型越來越多元化，建筑的功能也越來越人性化。如何更好地實現(xiàn)建筑師的高層住宅設(shè)計意圖，是結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化中需解決的關(guān)鍵問題。

1 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)形式

（1）框架結(jié)構(gòu)?？臻g布局靈活，建筑內(nèi)部空間大，底層空間的實用性強，而且設(shè)計簡便。但這種結(jié)構(gòu)形式的不足之處在于框架柱的截面面積比較大，而且在柱位置會凸出墻體，會影響高層住宅戶型的實際使用面積，不利于提高高層住宅空間利用率，同時會影響住戶的家具布置，降低住戶的使用感受。（2）異形柱框架結(jié)構(gòu)。與框架結(jié)構(gòu)設(shè)計類似，異形柱的寬度能和墻體的厚度保持一致，能夠有效地進行室內(nèi)空間布局，但其缺點在于其抗震性較差，適用高度低，不適用于高層住宅。（3）框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。這一種結(jié)構(gòu)多適用于高層住宅中，其豎向荷載主要由框架柱承擔(dān)，因此能夠隨建筑功能要求靈活布置，便于實現(xiàn)大空間、大柱跨的建筑要求;水平荷載主要由剪力墻承擔(dān)，同時剪力墻也承擔(dān)一部分豎向荷載。通常在一些商業(yè)住宅，或是有商業(yè)空間要求的建筑中使用較好，其缺點在于框架柱截面較大，對住宅建筑的使用有較大的影響。（4）剪力墻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要是根據(jù)建筑平面來合理布置鋼筋混凝土剪力墻，由于其不存在外凸柱子，能夠提高室內(nèi)空間的利用率，而且也較易滿足住宅建筑的平面使用要求，但其不足之處在于剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度較大，對地震的反應(yīng)比較強烈，而且剪力墻自身較重，若是設(shè)計不合理，將會導(dǎo)致造價過高。

2 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)的特征

高層住宅在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要是考慮豎向荷載和水平荷載這兩個因素。其中豎向荷載主要包括結(jié)構(gòu)本身自重、施工或建成使用中的活荷載以及豎向地震作用等;水平荷載主要包括風(fēng)荷載和水平地震作用。豎向荷載作用下的受力情況相對簡單，根據(jù)傳統(tǒng)的力學(xué)知識即可進行分析設(shè)計，但水平荷載作用下的受力情況相對復(fù)雜，而且對高層住宅的結(jié)構(gòu)起控制作用的往往是風(fēng)荷載和水平地震作用。

3 高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

3.1 工程概況

某高層住宅項目，抗震設(shè)防烈度為7度區(qū)，地上35層，1～5層為商業(yè)建筑，5層為轉(zhuǎn)換層，6層及以上為住宅，地下一層為的車庫。采用帶轉(zhuǎn)換層的剪力墻結(jié)構(gòu)體系，部分剪力墻直接落地。上部設(shè)置伸縮縫，凈寬300mm，左塔和右塔長分別為32.6m和56m。

3.2 結(jié)構(gòu)布局分析

對建筑結(jié)構(gòu)體系展開分析，可以發(fā)現(xiàn)存在一定不規(guī)則性，在結(jié)構(gòu)布局上需要多次驗算，促使結(jié)構(gòu)抗扭能力得到提高。

在結(jié)構(gòu)的平面布置中，應(yīng)加強層間位移比、周期比的控制。避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大偏心力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)下，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的位移角限值嚴控位移角，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，避免產(chǎn)生過大位移從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性和使用要求受到影響。

在結(jié)構(gòu)的豎向布置中，轉(zhuǎn)換層的設(shè)置會導(dǎo)致出現(xiàn)豎向不規(guī)則。采取這種豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)的結(jié)構(gòu)形式，容易使結(jié)構(gòu)因不規(guī)則問題出現(xiàn)超限情況。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中宜設(shè)置抗震縫，也可以對樓板結(jié)構(gòu)進行增設(shè)。而轉(zhuǎn)換層位于6層，相對較高，需要保證轉(zhuǎn)換層上、下樓板剛度達到要求，促使上、下部結(jié)構(gòu)得到嚴格控制，達到一定剛度比要求。針對6層及以上樓層，考慮到樓板較薄，需要對轉(zhuǎn)換層相鄰上一層樓板的剛度進行加強，板厚采用150mm，雙層雙向拉通鋼筋配置，配筋率每層每個方向不小于0.2%。同時，在建筑28層位置，需要完成局部收進，盡管幅度較小，并未引發(fā)豎向不規(guī)則問題，但容易產(chǎn)生位移突變。為防止高位出現(xiàn)薄弱層，設(shè)計時，需要對上下剪力墻進行加強設(shè)計，使上、下層的剛度比得到有效控制。

3.3 結(jié)構(gòu)受力分析

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要分析結(jié)構(gòu)的豎向荷載和水平荷載作用力，保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。剪力墻結(jié)構(gòu)受力具有一定復(fù)雜性，需要利用三維分析軟件完成結(jié)構(gòu)整體性能分析，確認是否存在薄弱部位。采用有限元分析軟件，可以對梁、柱等構(gòu)件進行配筋計算分析，通過計算結(jié)果看是否滿足規(guī)范及使用要求。該建筑為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度7度，結(jié)構(gòu)高寬比限值為6。從結(jié)構(gòu)形式來看，左塔高寬比為7.88，右塔為6.8，均大于6，屬于平面不規(guī)則。從整體來看，建筑總高度超出100m，應(yīng)采用彈性時程分析法進行分析，研究風(fēng)荷載、水平地震作用等水平荷載作用下結(jié)構(gòu)整體抗傾覆能力，并對剪力墻、柱等豎向構(gòu)件抗側(cè)力性能進行分析。通過對結(jié)構(gòu)各部位最大程度破壞地分析，能夠為結(jié)構(gòu)配筋優(yōu)化提供可靠依據(jù)，并促使結(jié)構(gòu)整體性能得到改善。

根據(jù)結(jié)構(gòu)實際情況，應(yīng)分別建立左塔和右塔兩個結(jié)構(gòu)模型。對于地下室部分，需要將1-2跨并入主體，對結(jié)構(gòu)進行整體分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)動力特性，按規(guī)范選擇3條地震波，開展多遇地震下的動力時程分析。建筑特征周期為0.51s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，地震波主分量峰值加速度為35cm/s2。采用天然地震波對建筑底層剪力進行分析，能夠確認底部剪力墻加強結(jié)構(gòu)可以達到設(shè)計性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下層剛度比能夠達到設(shè)計要求。而從局部結(jié)構(gòu)受力情況來看，在裙房屋面位置和局部收進位置存在剛度和位移明顯變化，分別位于建筑第7層和第29層。盡管分析得到的指標(biāo)符合規(guī)范要求，但還應(yīng)對結(jié)構(gòu)進行加強設(shè)計，以免結(jié)構(gòu)發(fā)生突變問題。

3.4 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計

為滿足結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求，還需分析地震作用下的結(jié)構(gòu)位移，利用靜力彈塑性分析方法確認結(jié)構(gòu)設(shè)計能否達到要求。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，還要從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、承載力等各方面采取措施，促使結(jié)構(gòu)性能得到增強。針對結(jié)構(gòu)薄弱位置，還應(yīng)采取措施進行加強，促使結(jié)構(gòu)抗震能力得到提高。實際在抗震設(shè)計中，一般需設(shè)置多道抗震防線，完成建筑抗側(cè)力構(gòu)件合理布置，保證結(jié)構(gòu)受力均勻。

采用SATWE軟件進行結(jié)構(gòu)分析計算，對地震作用下建筑左、右兩塔的剪力和剪重比展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在X方向上，左塔剪重比為1.88%，右塔剪重比為1.46%。在Y方向上，左塔剪重比為2.08%，右塔剪重比為1.61%。根據(jù)結(jié)果可知，左塔底部剪重比較大，能夠滿足規(guī)范要求，右塔剪重比略小于規(guī)范要求。結(jié)合結(jié)構(gòu)受力、單元位移等分析結(jié)果，可以認為兩部分結(jié)構(gòu)整體剛度比合理，只需要對局部剪重比不達標(biāo)的樓層進行調(diào)整即可滿足抗震性能設(shè)計要求。實際在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，考慮到轉(zhuǎn)換層位置較高，剪力墻設(shè)計需要達到一級抗震要求，剪力設(shè)計值達到基礎(chǔ)值的1.6倍以上。在建筑上部結(jié)構(gòu)剛度得到提升的情況下，還要使剪力得到增大，確保上、下部分得到有效協(xié)調(diào)。

4 結(jié)語

對于高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，無論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，都應(yīng)保證結(jié)構(gòu)整體性能可以滿足建筑設(shè)計要求，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全的基礎(chǔ)上，為建筑建設(shè)、使用提供支持，為建筑可持續(xù)發(fā)展提供保障。

參考文獻：

[1]李桂蘭，蘇慧珠，楊雷.高層住宅建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析[J].中國住宅設(shè)施，2019（07）：59-60.

[2]岳鵬飛.高層住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析[J].工程與建設(shè)，2019，33（03）：376-377.