高層住宅剪力墻大開間結(jié)構(gòu)設計分析

馬文麗 (青州弘正建設工程質(zhì)量檢測有限公司，山東 濰坊 262500)

隨著城市化進程的加速和人口的不斷增長，高層住宅建筑的需求正在不斷增加。在城市規(guī)劃和建設中，高層住宅大開間結(jié)構(gòu)日益成為一種備受關(guān)注的設計選擇，其旨在提供寬敞的內(nèi)部空間、優(yōu)越的采光條件以及靈活的室內(nèi)布局。這種結(jié)構(gòu)類型在滿足現(xiàn)代城市居民對住宅舒適性和功能性的需求方面具有顯著的潛力[1]，因此，對其性能和設計參數(shù)的深入研究具有重要意義。通過對不同結(jié)構(gòu)方案的詳細比較和性能評估，分析抗震性能、振型分解反應譜法和彈性時程分析等參數(shù)，為高層住宅大開間結(jié)構(gòu)設計提供有力的理論和實踐支持，促進城市建設的可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

某高層大開間結(jié)構(gòu)住宅項目，總建筑面積約為20900m2，總高度約為92m，樓層數(shù)為30層，主要戶型為2 梯4 戶結(jié)構(gòu)，分為不同單元，每個項目都提供多種戶型的高品質(zhì)裝修房源，以滿足居民多元化的居住需求。住宅采用大開間結(jié)構(gòu)的設計理念，柱間距平均約為8m，創(chuàng)造寬敞明亮的室內(nèi)空間。項目根據(jù)各自所在地的地震風險，采用了不同的抗震等級，以確保建筑在地震情況下的安全性。混凝土強度等級范圍從C25到C45，以滿足不同項目的結(jié)構(gòu)要求。

2 大開間結(jié)構(gòu)設計方案

2.1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案

短肢剪力墻是一種在高層住宅大開間結(jié)構(gòu)設計中常見的結(jié)構(gòu)類型，其主要特點是在建筑的短邊墻上設置剪力墻，最大限度減小側(cè)向位移，以增強建筑的抗側(cè)向荷載性能。剪力墻的布局需要根據(jù)建筑的幾何形狀和荷載分布進行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)的豎向剛度應實現(xiàn)均勻變化，具體而言，應使上部剛度略小于下部，以確保結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。此外，應避免采用不規(guī)則的豎向結(jié)構(gòu)布置，以確保結(jié)構(gòu)的一致性和可靠性。在設計短肢剪力墻時，應盡量避免采用單一形式的一字形墻肢，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案

短肢剪力墻的墻厚設計為200mm，但在某些部位可取250mm。墻肢的長度通常取墻厚的5～8 倍，并可以采用T型、L型等不同形式的布局?？蛷d大開間的樓板厚設計為130mm，挑檐樓板厚為150mm，上人屋面板厚為120mm，陽臺板厚為80mm，其他房間板厚100mm?；炷恋燃壏矫妫?～2層的剪力墻采用C40混凝土，3～5層選用C35 混凝土，6～12 層為C30 混凝土，而13～18 層的剪力墻則采用C25 混凝土；梁混凝土等級，1～5 層選用C30混凝土，6～18層為C25混凝土；樓板混凝土等級為：1～5層采用C30混凝土，6～18層采用C25混凝土。主梁的截面寬度統(tǒng)一取200mm，截面高度范圍為300mm～600mm；次梁的截面寬度取200mm，截面高度范圍為250mm～500mm。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)方案

剪力墻結(jié)構(gòu)方案的核心是使用剪力墻作為主要抗側(cè)向荷載的承載元素，以確保建筑在地震和風荷載作用下的穩(wěn)定性和安全性。剪力墻分布在建筑的核心區(qū)域，以最大限度減小側(cè)向位移，需要考慮建筑的幾何形狀、荷載分布和結(jié)構(gòu)布局來確定剪力墻的位置和數(shù)量。剪力墻的布局應確保在整個建筑中均勻分布，以提供均衡的抗側(cè)向性能。墻肢的布置應自下而上對齊，成列排列，避免剛度差異過大。剪力墻的形狀應盡量采用L 型或T 型，而門窗洞口的布置則宜上下對齊，排列整齊，以確保墻肢和連梁承受力的分配明確[2]。剪力墻結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

圖2 剪力墻結(jié)構(gòu)方案

剪力墻的墻厚設計為200mm，但在某些部分可選擇300mm 的墻厚。墻肢的長度應為墻厚的5～8 倍，可采用T型、L型等不同形式的布局。客廳大開間的樓板厚設計為130mm，挑檐樓板厚為150mm，上人屋面板厚為120mm，陽臺板厚為80mm，其他房間板厚100mm。混凝土等級的選擇同短肢剪力墻方案。

2.3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案結(jié)合了框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)的設計，綜合利用了兩種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)點，提供良好的抗側(cè)向性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案的設計中，在建筑的核心區(qū)域設置剪力墻，并在建筑的外圍使用框架結(jié)構(gòu)，將剪力墻的抗側(cè)向性能與框架結(jié)構(gòu)的靈活性和開放性相結(jié)合[3]。

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)通常采用雙向抗側(cè)力體系，在抗震設計方面，必須在兩個主軸方向都設置剪力墻，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。梁應盡量與柱和剪力墻的中線對齊，最好不超過柱寬度的1/4偏心距。剪力墻的布置需要均勻分布，較長的剪力墻可以考慮分成雙肢墻或多肢墻，但單個墻肢的長度不宜超過8m。帶有梁柱的周邊邊框剪力墻，同時在縱橫向的剪力墻之間采用L、T、口形等形式的連接，以提高剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度和抗扭能力。剪力墻應盡量貫穿整個建筑高度，并且墻的厚度應逐漸減小，以避免剛度突變?？蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

圖3 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案

剪力墻的墻厚設計為200mm，但在某些部分可取300mm?？蚣苤慕孛娉叽绨?00mm×300mm、300mm×450mm、300×500mm 和300×600mm。樓板厚度、梁截面、混凝土等級的選擇同上。

3 大開間結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 性能分析參數(shù)

（1）分析計算軟件，采用SATWE軟件。

（2）荷載取值，如表1所示。

表1 荷載取值

（3）有關(guān)系數(shù)取值如表2所示。

表2 性能有關(guān)系數(shù)取值

3.2 振型分解反應譜法對比分析

通過分析計算軟件得出三種方案下的各類對比數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同設計方案下的對比數(shù)據(jù)

由表3可知，三種方案均滿足相關(guān)規(guī)范的限值設計要求，地震傾覆力矩占比方面，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最優(yōu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最差；周期比可反映出抗扭性能，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最優(yōu)，剪力墻結(jié)構(gòu)最差；位移比可反映出剛度性能，剪力墻結(jié)構(gòu)最優(yōu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最差；此外，剛重比、最小剛度比、最小剪重比、最大軸壓比等參數(shù)均符合規(guī)范要求，三種方案差異不大。三種方案均滿足結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性，具體性能參數(shù)各有優(yōu)劣。

3.3 彈性時程對比分析

選取TH2TG03 天然地震波，分析振型分解反應譜[4]，分析起始周期為0.01s，終止周期為6s，步長為0.02s，特征周期為0.27s，峰值加速度為21cm/s2。地震波的波形如圖4所示。

圖4 TH2TG03天然地震波

通過分析計算軟件得出三種方案在地震波作用下的對比數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 不同設計方案在地震波作用下的對比數(shù)據(jù)

由表4可知，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案的各項性能參數(shù)較差，剪力墻結(jié)構(gòu)方案的各項性能參數(shù)最優(yōu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案的各項性能參數(shù)介于二者之間。三種方案的各參數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 大開間結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性分析

在保證建筑結(jié)構(gòu)的剛度、強度、穩(wěn)定性和抗震性能基礎上，經(jīng)濟性也是衡量設計方案的重要指標。根據(jù)2023年的市場價格指導，經(jīng)濟性核算的價格如下：HRB400鋼筋，直徑10mm以及下的價格為5125元/t，直徑為12mm～25mm的價格為4980元/t；C25混凝土為550元/m3；C30混凝土為590元/m3；C35混凝土為605元/m3；C40混凝土為620元/m3。兩方案的建材用量及價格如表5所示。

表5 不同設計方案的建材用量及價格

根據(jù)表5 可知，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案的單位面積造價為341.5元/m2,性價比最高，從經(jīng)濟性方面考慮，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案最優(yōu)。

綜合考慮三種方案的性能參數(shù)和經(jīng)濟性，在滿足結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性的前提下，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案整體最優(yōu)，作為推薦設計方案。

5 結(jié)語

結(jié)合實際的高層住宅工程項目，分析大開間結(jié)構(gòu)設計方法，得出如下結(jié)論：

（1）通過振型分解反應譜法對比分析了短肢剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)三種方案，各項性能參數(shù)均符合相關(guān)規(guī)范要求。

（2）通過彈性時程對比分析三種結(jié)構(gòu)設計方案，三種方案的各參數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，剪力墻結(jié)構(gòu)方案的各項性能參數(shù)最優(yōu)，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)方案的各項性能參數(shù)較差，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)方案的各項性能參數(shù)介二者間。

（3）在滿足結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性的前提下，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積造價最低，性價比最高，該方案作為推薦設計方案。