某12层住宅楼结构方案对比分析.doc

小高层住宅楼结构方案对比分析李长青东北农业大学 水利与建筑学院，黑龙江哈尔滨150030摘要：在住宅、板式、小高层等几个限定条件下，分别分析了普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构、扁柱框架结构、异形柱框架剪力墙结构、配筋砌体结构的优缺点，通过对五种结构方案的综合讨论，提出了合理的结构型式，为结构工程师提出了设计建议，以供工程设计参考。关键词：小高层；住宅；结构方案；短肢剪力墙；扁柱框架Comparison and analysis of structure for small high-rise residential buildingLI Chang-QingCollege of Water Conservancy and Building Engineering, Northeast Agricultural University, Haerbin 150030,chinaAbstract：Analyze the relative merits of shear wall structure、short-pier shear wall structure、flat column frame structure、special-shaped column frame shear wall structure and reinforced masonry structure in residential、slab-type、small high-rise and so on conditions. Based on the discussion of five types of structures,obtain a kind of reasonable form. Put forward suggestion to Structural Designer.And offer references for certain projects.Key words：small high-rise, residence, structural style, short-pier shear wall, flat column1 设计条件假定哈尔滨地区，某12层住宅楼，地质条件良好。建筑方案已给定，为板式小高层，共三个单元，每梯两户，户形简洁，设置一部电梯。要求结构设计人员，根据相关规范，在结构概念设计层面上，定性分析几种可以采用的结构形式，从中确定最优结构，并给出设计建议。建筑平面方案如图一所示：图1 建筑平面方案（截取一个单元）2 结构方案对比根据给定条件，确定本工程可以采用的结构形式有普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构、扁柱框架结构、异形柱框架剪力墙结构、配筋砌体结构五种形式，分别分析如下：21 普通剪力墙结构普通剪力墙结构在现代建筑中得到了广泛的应用，并逐渐形成了完善的计算理论和丰富的设计经验。该结构形式受力明确，传力路径清晰，单肢墙截面形式简单，结构整体刚度好，而且现在的研究和实践表明，剪力墙结构的延性也非常好；在高层建筑中，其抵抗风荷载和竖向地震作用的能力突出；另外，成片墙体在施工中可以使用组合钢模板，施工速度快。但是其结构自重大、由于抗侧刚度大而带来的地震反应过大等结构缺点也不容忽视，而且经过计算，过长的墙肢基本不能充分发挥承载力，墙体配筋基本为构造配筋，经济性不好。本工程为小高层住宅楼，建筑高度超出抗规要求的普通砌块砌体结构允许高度；住宅楼要求室内尽量无突出的阳角构件，据此排除普通框架结构；底层无商服等大空间需要，因此普通剪力墙结构是一个不错的选择。本工程纵向与横向长度比接近6：1，所以结构上注意控制横向刚度，以保证在计算双向地震作用，并考虑扭转耦连作用时能够满足要求。布置剪力墙的时候，横向尽量布置长肢墙，减少开洞，纵向则适当开大洞。电梯井道布置剪力墙筒体，其他墙体对称布置，以保证刚度中心与质量中心尽量重合，避免扭转效应。剪力墙布置图见图二：图2 普通剪力墙结构布置图（截取一个单元）22 短肢剪力墙结构由于普通剪力墙结构墙体布置过多，自重大、延性差，对住宅空间严格限定与分隔，且经济性不好，因此随着人们对住宅平面与空间的要求越来越高，普通剪力墙结构已不能满足人们的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，即短肢剪力墙结构。首先明确一个概念，高规7.1.2 明确规定高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。所谓短肢剪力墙结构是指短肢剪力墙所承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的 40%50%，大于50%则认为是不合理的结构方案，必须整改。另外，高规7.1.2.3规定，短肢剪力墙结构抗震设计时，其抗震等级应按高规4.8.2表格规定提高一级取用，这意味着设计计算和构造措施将更加严格。在小高层住宅中，与普通剪力墙结构相比，短肢剪力墙结构具有如下优点：结构布置灵活，墙的数量和肢长根据抗侧力的需要而定，数量可多可少，肢长可长可短，还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置；可以充分利用墙肢的承载能力，避免普通剪力墙结构中墙体过长而通常为构造配筋的浪费；结构自重轻，降低主体结构和基础造价，在地耐力较低的情况下经济效益尤其显著；结构自振周期长，结构抗侧刚度小，地震反应减小；主体结构中大多数墙肢呈受弯工作状态，从而保证墙体具有足够的延性；大多数连梁的跨高比大于2. 5，降低了连梁的自身刚度，避免连梁的剪切破坏，使连梁也具有足够的延性，进一步增强结构整体延性。本工程在内外墙连接处、纵横墙连接处布置带有翼墙的L形、T形短肢墙，电梯井道布置剪力墙筒体。由于短肢剪力墙结构整体抗震性能较差，所以注重构造措施，加强外墙转角等薄弱部位的构造配筋。同时，由于墙肢的刚度减小，连梁已经接近普通框架梁，设计时下调刚度的幅度不宜过大，按普通框架梁要求，控制混凝土受压区高度。剪力墙布置图见图三：图3 短肢剪力墙结构方案布置图（截取一个单元）23 扁柱框架结构框架结构受力明确，具有开放的、可变的建筑空间，因此，在不断追求空间利用率的趋势下，与其他结构形式相比，框架结构具有得天独厚的优势。但在住宅建筑中，框架结构外凸的梁柱严重影响了房间内寸土寸金的使用面积，于是，结构工程师们开始寻求框架结构的衍生形式，扁柱框架结构即是其中之一。其最大优点在于，既具有框架结构的优点，又解决了梁柱占用建筑空间的问题。综合高规7.1.2-8注、6.4.1-3、混凝土规范10.5.1、抗规6.3.6-3、6.4.9和异形柱规范2.1.1中对竖向构件类型的规定，构件截面高厚比小于3时，矩形截面必须按矩形柱设计；大于3小于4时，矩形截面宜按矩形柱设计；截面为L、T、十字形，且高厚比小于4时，按异形柱设计；高厚比大于4小于8时为短肢剪力墙，大于8时为普通剪力墙。关于扁柱框架结构，规范中没有提及，只是相对于常规框架柱截面高厚比接近1来说，该结构柱截面高厚比接近3，呈狭长形式而得名，其仍属于框架结构，仍可按常规框架理论计算分析，但其狭长的截面形式注定其受力与普通框架结构有很大差异，应用于本工程，其缺点如下：（1），计算理论尚待完善。很多柱承受两个方向的偏心荷载，或者同一个方向承受不同轴线的荷载，应用钢筋混凝土偏心受压柱理论计算稍显牵强，又没有专门的计算公式可依，实际设计时经常采用经验判断和力学概念判断，设计结果与实际受力情况有一定差异。（2），结构纵向刚度难以保证。因为横向为结构刚度弱方向，所以布置柱的时候，柱子长向沿结构横向布置，以弥补结构横向刚度不足，短向与墙厚相同，一般取200mm，但这样，如果建筑整体长宽比不是很大，其纵向结构刚度将难以保证，需要计算其刚度，并按结果采取相应调整措施。（3），柱子均处于大偏心受压状态，柱底弯矩过大，相应配筋和构造措施将加大。（4），因为住宅平面不规则，有些柱两侧的梁不同轴，承受水平地震作用时，柱内将产生较大的扭矩，扭转效应明显，将极大地增加柱的抗扭纵筋和箍筋。（5），为了实现梁柱不占用建筑空间的目的，梁与柱同宽，这意味着为了保证梁不超筋，梁高将要加大，因此要控制柱间距，以避免深梁出现。本工程在内外墙转角、纵横墙交接处处布置扁柱，并保证各方向形成框架，具体布置方案如图所示：图4 扁柱框架结构方案布置图（截取一个单元）24 异形柱框架剪力墙结构异形柱也是为了克服普通梁柱占用建筑空间的问题，为了适应住宅楼而由普通柱框架结构衍生出来的一种柱截面形式。异形柱可以设计框架结构和框架剪力墙结构，按照异形柱规范3.1.2要求，6度抗震区，异形柱框架结构最大适用高度为24米，大约可建造八层以下住宅，不适于本工程，所以采用异形柱框架剪力墙结构。异形柱的破坏形态为弯曲破坏、小偏压破坏、压剪破坏等，影响其破坏形态的因素有：荷载角、轴压比、剪跨比，配箍率以及箍筋间距S与纵筋直径D的比值等。由于其受力性能的复杂，设计中必须通过可靠的计算和必要的构造措施来保证其强度和延性。异形柱具有如下受力特征：（1），墙肢平面内外两个方向刚度相差较大，导致各向刚度不一致，其各向承载能力也有较大差异。（2），异形柱通常属于短柱范围（H/h4），且属薄壁构件，剪切变形占有相当比例，构件变形能力下降，延性较差。（3），异形柱由于是多肢的，其剪切中心往往在平面外，受力时要靠各柱肢交点处核心砼协调变形和内力，这种变形协调使各柱肢内存在相当大的翘曲应力和剪应力，而该剪应力的存在，使柱肢易先出现裂缝，也使得各肢的核心砼处于三向剪力状态，它使得异形柱较普通截面柱变形能力低，脆性破坏明显。（4），异形柱存在着单纯翼缘柱肢受压的情况，使其延性更差。本工程采用异形柱框架剪力墙结构，设计中严格按照异形柱规范和高规等相关国家标准执行，特别注重轴压比的控制和构造措施。本工程结构方案布置图如下图所示：图5 异形柱框架剪力墙结构方案布置图（截取一个单元）25 配筋砌体结构虽然抗规和砌体规范对砌体结构房屋高度有严格限制，但随着全球建筑向绿色环保方向发展，新型建筑材料不断涌现，推动了高强度砌块砌体结构的快速发展，目前国内已建成很多配筋砌体建筑物，其中不乏高层建筑，例如上海建成的18层塔楼，哈尔滨建成的12层和18层楼房。建筑材料发展缓慢，新型建筑材料不能量产，严重制约了配筋砌块砌体结构的发展，我国最早尝试建造的配筋砌体房屋所用的砌块都是人工两次振捣成型的，人力消耗过大，根本不能量产，后来上海和哈尔滨建造的房屋都是采用美国的设备制造的砌块，抗压强度能达到20MPa，材料造价较高。另外，虽然国际标准的砌体结构设计规范早已开始执行，而且我国负责主编了配筋砌体设计规范，并依据将该成果，修订颁布了我国砌体结构设计规范2001版，但是受到材料发展的影响，结构设计师一直不愿意尝试这一结构形式。配筋砌体结构在高层建筑中有很多优势：（1），受力合理。属于基于另一种建筑材料的剪力墙结构，受力明确；（2），降低成本。砌块的源材料来源广泛，与传统混凝土结构相比，配筋率降低，施工过程中无需大量模板；（3），节能环保。与普通烧结粘土砖相比，其不但强度高，而且生产过程无污染，不浪费土地；（4），施工速度快，砌筑过程简单，在不受材料供应和天气影响的情况下，基本34天可建完一层，大大提高施工速度。因此，本工程拟突破设计习惯，尊重理论成果，采用混凝土小型空心砌块砌体结构，按照相关规范设计。3 结论通过对以上各种结构形式的分析，明确了各结构的优缺点，最终本工程选定的结构形式为“有较多短肢剪力墙的普通剪力墙结构”，即在保证短肢剪力墙所承受的一阶震型倾覆力矩不超过结构总倾覆力矩的40%的前提下，尽可能多地布置短肢墙，这样即回避了高规中关于短肢剪力墙结构抗震等级提高一级的规定，又能最大限度地保证建筑空间、节约成本。与之相比，扁柱框架结构和异形柱框剪结构受力复杂，抗震性能不好，需要严格的构造措施保证抗震能力，结构的综合可靠性和经济性都不够优秀。而配筋砌块砌体结构一方面有建筑材料限制的先天劣势，而且其对建筑空间的限定严格。又因为砌体与混凝土结构的变形模量不相同，在地震作用下难以协同工作，就不能仿效混凝土短肢墙设计成大开洞结构。因此，经过综合比较，最终选定了“有较多短肢剪力墙的普通剪力墙结构”这样一种形式，其具有成熟的计算理论和设计经验，而且结构安全可靠，又符合住宅建筑对空间的要求，是本工程的不二之选。最终选定的结构方案如下图所示：图6 最终选定的结构方案布置图（截取一个单元）本文全面分析了小高层住宅楼可以采用的几种结构形式，明确了各种形式的优缺点，并提出了针对本工程比较合理的结构形式。希望本文在实际工程设计中，对结构工程师有所帮助。4 参考文献1 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）.北京：中国建筑工业出版社 20022 混凝土结构设计规范（GB