[doc] 高层住宅建筑的结构选型与合理高度.doc

高层住宅建筑的结构选型与合理高度4西北建筑与建材2003年2月总第92期高层住宅建筑的结构选型与合理高度王伟东李静(陕西省建筑标准设计办公室西安7l0032)摘要:本文对高层住宅建筑结构选型与合理高度提出了合理化建议对高层住宅建筑设计具有重要意义.关键词:高层住宅建筑结构选型合理高度剪力墙结构我省的高层住宅建筑始建于上个世纪八十年代,随着建设事业的发展,城市用地日趋紧张,高层住宅建筑逐渐增多,在结构上选择哪种类型较为合适,在高度上,建多少层才比较经济合理,本文试分析如下:1高层住宅建筑的结构选型一般高层住宅建筑绝大部分采用剪力墙结构,很少采用框架结构或框架剪力墙结构.这是因为框架柱一般尺寸较大,对住宅房间的使用不利,此外还有异形框架柱剪力墙结构,也不影响住宅房间的使用.对于下部为大空间的商住楼等高层住宅楼,则可选用框托墙体系(即底层大空间剪力墙结构).1.1钢筋混凝土剪力墙结构体系,剪力墙的布置方案有下列4种:1.1.1小间距横墙承重方案,早期建造的剪力墙结构住宅,多采用小间距方案,即每开间竖一道钢筋混凝土横墙,间距为2.73.9米.其优点:二次完成所有墙体,省去砌筑隔墙的工作量,可缩短工期.如同时采用大模板现浇内墙的”内浇外贴”(外墙板与内墙板之间采用刚性连接,可以承担水平力的传递,而”内浇外挂”的外墙板,不能传递水平地震力)结构方案时,外墙板一个开间一块,便于制作和安装,施工进度快;采用短向楼板,跨度小,节约楼板钢筋,水泥.主要缺点:房间小,建筑布置不灵活;横墙数量多,剪力墙的承载能力未能充分利用,在l5层以下的建筑中,墙体多为构造配筋.由于墙多,则混凝土用量大,房屋自重大,基础费用增加;自振周期短,地震力大;墙体配筋率低,结构延性小.1.1.2大间距横墙承重方案随着轻质坚固并具有良好隔音性能的隔墙材料的发展,剪力墙体系开始向大间距过渡,一般每两开间设一道钢筋混凝土承重墙,间距一般为68米.楼板多采用现浇钢筋?昆凝土梁式板或无粘结预应力钢筋混凝土平板.其优点:由于墙体数量少,则混凝土用量小,自重轻,基础费用可减少;自振周期较长,水平地震作用减小;墙体配筋率适当,结构延性增加;使用空间较大,建筑布置较灵活.主要缺点:楼板跨度较大,钢筋,水泥用量增多;使用高效轻质隔墙,造价较高;采用预制外墙板,因面积较大,施工比较困难,如采用其他外墙方案,则施工效率较低.1.1.3大间距纵横墙承重方案2003年2月总第92期西北建筑与建材5现浇钢筋混凝土横墙每两开间设置一道,楼板方案有两种:一为在两道横墙之间,布置一根进深梁,以缩短楼板跨度,进深梁则支承于纵墙上.再者为采用现浇钢筋混凝土双向楼板,文承在纵横墙上.其优缺点大致与大间距横墙承重方案相同.1.1.4短肢剪力墙方案当高层住宅的层数不太高时,为了节约钢筋,水泥用量,降低墙体自重,避免抗推刚度过大结构自振周期过短,地震力增大,可采用短肢剪力墙,即剪力墙的墙肢长度缩短至不小于58倍墙身厚度.是近期发展的一种新方案.1.2钢筋混凝土异形框架柱剪力墙方案,即在框架剪力墙体系中,采用t字形和十字形框架柱,柱的翼缘和腹板厚度选用200240mm,翼缘宽度则根据计算需要确定,就不致于由于柱的凸出而影响使用,但是应注意房屋高度不得超过50m,抗震设防烈度不得大于八度.1.3框托墙结构体系当上部为住宅,下部为大空间用室时,上部仍可用剪力墙结构,下部改用框架结构,称为框托墙结构体系.2高层住宅建筑的高度选择2.1住宅层数与节约用地要节约用地,就需选用较高的建筑密度,一般对建筑密度的衡量用容积率表示,即每公顷土地上所建的建筑面积(万平方米/公顷).建筑层数愈多,则每公顷土地上所建的建筑面积愈多,即容积率愈高,节约用地愈多.为了更直观地说明建筑层数变化与用地多少的关系,可以改用容积率的倒数表示,即每建一万平方米建筑需用多少公顷土地,经研究在西安地区,满足必需的日照要求情况下,得出住宅层数与容积率倒数关系曲线,并整理出”由于增加住宅层数而得出的节约用地值”(表2.1),可以看出在七层以下,多层住宅增加层数对节地的影响较大,如三层比二层住宅可节约用地18%,六层比五层住宅只节约用地5%.虽然高层住宅比多层住宅节约用地如十一层比六层住宅可节约用地l3%,十八层比六层住宅可节地l8%;但高层住宅仅增加一层时,其节地效果很不明显,如十五层以上住宅,增加一层时的节地效果不到l%,高层住宅只有当增加层数较多时,节地效果才显着,如十八层比十一层住宅可节地7%.由此对高层住宅选择合理高度时,得到一个启示,可以每隔较多层数,结合其他条件,确定一个合理高度,才可以得到较好的经济效果.由于增加住宅层数而得到的节约用地值表表2.1由m层增至节约用地值由m层增至节约用地值n层(mn)公顷/万米%n层(mn)公顷/万米z%l314230.162l8.00.0051.014l5340.080l0.9l5l60.0040.8l6l7l7l8450.0497.50.0030.6l8l9l920560.0325.3670.0234.0360.16l21.9780.0l73.16l00.064l1.1890.0l42.66ll0.07312.79l00.0l01.96l80.107l8.6l0ll0.0091.8lll80.0346.8lll20.0071.4lll90.03774l2l36西北建筑与建材2003年2月总第92期2.2防火要求与高层住宅层数防火是建筑(特别是高层建筑)安全重要内容之一.住宅层数直接与居住人员的垂直交通,安全疏散,消防救护有密切的关系.高层民用建筑设计防火规范主要从高度对高层建筑进行防火分类,对于住宅:一类:l9层的普通住宅;高度>5o米或高度<5o米但每层建筑面积超过1500平方米的商住楼.二类:lo一18层的普通住宅;一类商住楼以外的商住楼.一类与二类高层住宅的防火要求,如建筑构件的耐火等级的选用,封闭楼梯间,防烟楼梯间和消防电梯的设置与否等,有较大的差别,一类比二类高层住宅在防火方面要增加较多的造价.故从减少防火投资方面看,宜控制在二类高层住宅允许高度以内.2.3结构情况与高层住宅高度高层住宅一般采用钢筋混凝土剪力墙结构,对于剪力墙结构,可建至100米高,没有什么限制.但从抗震等级划分看,高度6o米,8o米,35米分别是六度地震区四级与三级,七度地震区三级与二级,八度地震区三级与二级抗震等级的分界线,8o米还是八度地震区二级与一级抗震等级的分界线.不同抗震等级对结构设计有不同的需求,对建筑造价也有一定的影响,一级要求最高,需增加造价也较多.还有对商住楼,下层需要大空间,可能采用框托墙结构.其抗震等级的划分,6o米则是六度地震区三级与二级框架,8o米和35米分别是七,八度地震区二级与一级框架的分界线.2.4地基基础与高层住宅高度高层住宅随着层数的增加,自然要增加地基基础的荷载,各地的地基情况有较大的差异,地基处理方法也不相同,其中必然有一个相应地基处理方法的经济高度.例如在一定情况下,可利用高层住宅所设地下室处挖出的土方,减轻这部分土重的作用.对某一定层数的住宅建筑,有可能采用箱形基础或整片筏形基础,而不必采用桩基础,以节约基础造价,并缩短基础施工工期,故对选择住宅高度时,还应考虑能选用经济合理基础型式的影响.2.5高层住宅建筑的高度选择高层住宅建筑虽然层数愈高,节约用地愈多,但是层数愈高,单位造价也愈高,节约的地价与因增高而增加的建筑造价不一定相当,还有一些其他因素,要做具体分析,如地形情况,总平面的平面形状,长宽尺寸,面积大小,资金多少,需用的建筑面积多少,城市规划部门的要求等要综合研究,才能得出经济合理的高度.现仅从一般情况,综合前述考虑防火要求,结构与地基基础等情况,在其影响造价的分界线处的最大高度,应是不同类型高层住宅的经济合理高度.2.5.1单元式与通廊式高层住宅单元式高层住宅,当不超过十一层,而且每单元均设电梯时,就可不设消防电梯,防烟楼梯间和封闭楼梯间,还省了电梯间的前室和机械排烟通风等设施,可取得较好的经济效果,同时也是剪力墙结构在按八度设防时三级抗震等级的最高高度(35米),故十一层是单元式高层住宅的一个经济高度.对通廊式住宅,需在靠外墙处设封闭楼梯间即可.当超过十一层时,如不超过十八层,则仍在二类防火等级范围之内.十八层是单元式住宅二类防火等级内的最高层数.也大致是六度地震区剪力墙结构四级抗震等级的最高层数(60米),同时也是在非自重湿陷性黄土,一般粘性士,中等密度砂二地基上,当地下水位不高时,有可能不用桩基础的最高层数(根据地基情况,也有可能是十六一卜七层).因此十八层是单元式和通廊式高层住宅的另一个经济合理高度.2.5.2塔式住宅,应在防火等级二类住宅范围内选择其最高层数为经济高度,即十八层,同时还需符合每层不超过八户,建筑面积不超过650平方米的规定.结构与地基基础情况的论述与上(下转j0页)l0西北建筑与建材2003年2月总第92期压力系数分布和大小无明显影响.四,抗风设计分析1.屋面荷载:跨中计算风压为(1.132+0.6036)1.40.351.11.4=1.3l0kn/m(f)l厚铝合金板面层0.00128=0.028kn/m2150厚聚氨酯保温层0.150.5=0.075kn/ml厚钢丝网0.00140=0.004kn/m50厚玻璃棉0.05l=0.050kn/m钢板=0.349kn/m桁架+支撑0.00278=0.156kn/m一0.850kn/m2=1.199一1.20kn/m(1)2.最不利处的风载:陆侧悬挑端计算风压为(1.3077+0.7273)1.40.351.11.4=1.54kn/m(f)从上式计算我们可得出,陆侧檐口处最大风压1.54kn/m与结构自重1.2kn/m的比值为1.54/1.2=1.28.由此可见该部分受风作用后升力最为明显,与通常混凝土结构的悬挑端上部受拉,下部受压的状况正好相反,说明本工程桁架上弦受压,下弦受拉的现象不能忽视.五,结束语本工程屋顶为园弧形,受风后升力效应明显,虫.-,0吱究次女v(上接6页)述单元式住宅相同.2.5.3商住楼,一般情况应在二类防火等级住宅范围内选择其层数,即不超过但接近50米高(约十五一十六层),同时还需符合每层面积不超过1500平方米的规定.50米也是接近框托墙结构六度地震区三级框架的最高尺寸(60米),当为非自重湿陷性黄土,一般粘性土,中密度砂土地基当地下水位较低时,有可能不采用桩基础.2.5.4超过十八层的住宅住宅超过十八层时,均属于一类防火等级,可其上表面均为负压,但各部分分布不均匀.接近中部的截面不均匀性小,接近端部时不均匀性大,尤其是端部截面的前缘出现峰值.抗风设计采用的是上表面负压与下表面正压的叠加值.由上述分析,给我们在大跨轻屋面的设计与施工方面以下几点启示:1.屋面板的安装应考虑风的吸力影响,以避免屋面板在风的作用下将屋面板掀起.即屋面板与檩条的连接应有可靠的连接不致因强度不足而破坏.2.屋盖桁架在不同的荷载作用下可能会出现反号的现象,总体来说桁架荷载在静+活与静+风相比时,前者值较后者大一些,但后者亦不可忽视.同时,说明了本工程桁架采用倒三角形型式体现了结构的受力特点,是合理经济的.3.由于风的吸力效应明显,故在支座节点的设计上除应考虑压力外,还应考虑拉力作用.即支座必须具有约束桁架向下和向上的能力,同时亦应考虑柱顶出现受拉的情况.参考文献1】建筑结构荷载规范(cbj9-87),(gb50009-2001)2】西安咸阳国际机场