浅谈高层住宅建筑结构形式及设计.doc

浅谈高层住宅建筑结构形式及设计2006年第4期(总第34卷第188期1in2006(TotalNo.188.Vo1.34)房与应用建l筑l结l构l与I地l基I基I础ISTRUCTURE&FOUNDATION浅谈高层住宅建筑结构形式及设计霍炬(沈阳都市建筑设计有限公司,辽宁沈阳110000)摘要:对当今高层住宅建筑所采用的结构形式,如:短肢剪力墙结构和异形柱框架结构进行讨论,分析,研究其受力特点,结构计算,构造要求等.关键词:高层剪力墙异形柱中图分类号:TU973文献标识码:B文章编号:1007.2918(2006)04.0031-02由于城市用地量的不断增加,城市建筑用地变的越来越紧张.高层住宅建筑的数量也如雨后春笋般快速的增加.近年来随着人们对住宅,特别是高层住宅平面与空间的要求越来越高,原来普通框架结构的露柱露梁,普通剪力墙结构对建筑空间的严格限定与分隔已不能满足人们对住宅空间的要求.于是经过不断的实践和改进,以剪力墙为基础,并吸取框架的优点,逐步发展而形成一种能较好适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式,即短肢剪力墙结构和异形柱框架结构型式.这两种新的结构由于在很大程度上克服了普通框架与普通剪力墙结构的缺点,得到了建筑师,房屋开发商,住户的肯定,由于这两种用于高层住宅结构型式与其他的结构形式在受力特点,结构分析及构造要求有所区别.下面来讨论这两种结构形式的设计特点.1短肢剪力墙结构短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的58倍剪力墙结构,常用的有T字型,L,型,十字型,Z字型,折线型,一宇型.短肢剪力墙结构建筑最大适用高度为100m.这种结构型式的特点是:结合建筑平面,利用间隔墙位置来布置竖向构件,基本上不与建筑使用功能发生矛盾;墙的数量可多可少,肢长可长可短,主要视抗侧力的需要而定,还可通过不同的尺寸和布置来调整刚度中心的位置;能灵活布置,可选择的方案较多,楼盖方案简单;连接各墙的梁,随墙肢位置而设于间隔墙竖平面内,可隐蔽;根据建筑平面的抗侧刚度的需要,利用中心剪力墙,形成主要的抗侧力构件,较易满足刚度和强度要求;由于短肢剪力墙结构相对于普通剪力墙结构其抗侧刚度相对较小,设计时宜布置适当数量的长墙,或利用电梯,楼梯间形成刚度较大的内简,以避免设防烈度下结构产生大的变形,同时也形成两道抗震设防:短肢剪力墙结构的抗震薄弱部位是建筑平面外边缘的角部处的墙肢,当有扭转效应时,会加剧已有的翘曲变形,使其墙肢首先开裂,应加强其抗震构造措施,如减小轴压比,增大纵筋和箍筋的配筋率;高层短肢剪力墙结构在水平力作用下,显现整体弯曲变形为主,底部外围小墙肢承受较大的竖向荷载和扭转剪力,由一些模型试验反映出外周边墙肢开裂,因而对外周边墙肢应加大厚度和配筋量,加强小墙肢的延性抗震性能.短肢墙应在两个方向上均有连接,避免形成孤立的一字形墙肢;各墙肢分布要尽量均匀,使其刚度中心与建筑物的形心尽量接近,必要时用长肢墙来调整刚度中心;高层结构中的连梁是一个耗能构件,在短肢剪力墙结构中,墙肢刚度相对减小,连接各墙肢间的梁已类似普通框架梁,而不同于一般剪力墙间的连梁,不应在计算的总体信息中将连梁的刚度大幅下调,使其设计内力降低,应按普通框架梁要求,控制砼压区高度,其梁端负弯矩钢筋可由塑性调幅70%80%来解决,按强剪弱弯,强柱弱梁的延性要求进行计算.对短肢剪力墙结构的设计计算,因其是剪力墙大开口而成,所以基本上与普通剪力墙结构分析相同,可采用三维杆一系薄壁柱空间分析方法或空间杆一墙组元分析方法,前者如建研院的TBSA,TAT,广东省建筑设计院的广厦CAD的SS模块,后者如建研院的TBSSAP,SATWE,清华大学的TUS,广东省建院的SSW等.其中空间杆墙组元分析方法计算模型更符合实际情况,精度较高.虽然三维杆一系薄壁柱空间分析程序使用较早,应用较广,但对墙肢较长的短肢剪力墙,应该用空间杆一墙组元程序进行校核.在进行以上分析后,按高层建筑结构设计与施工规范进行截面与构造设计,相对于异形柱结构,短肢剪力墙结构的理论与实践较为成熟,但这种结构在结构设计中仍然有需要引起重视的方面.2异形柱结构异形柱结构是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在24,相对于正方形与矩形柱而言是异形的柱子.它包括异形柱框架和异形柱框架剪力墙,常用的有L-型,Ttt型,十字型.异形柱结构建筑在七度区的最大适用高度为45m.这种结构的特点是:由于截面的这种特殊性,使得墙肢平面内外两个方向刚度对比相差较大,导致各向刚度不一致,其各向承载能力也有较大差异:对于长柱(H/h>4)可以不考虑剪切变形的影响,控制轴压比较小时,受力明确,变形能力较好.而对短柱(H/h<4),剪切变形占有相当比例,构件变形能力下降.异形柱通常在短柱范围,且属薄壁构件,即使发生延性的弯曲形破坏,也因截面曲率M/EI或cu/x(CU为砼的极限压应变,X为截面受压区高度)较小,使弯曲变形性能有限,延性较差:异形柱由于是多肢的,其剪切中心往往在平面范围之外,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;特别是异形柱不同于矩形柱,它存在着单纯翼缘柱肢受压的情况,其延性更差.由国内外大量的试验资料和理论分析闭,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,柱净高与截面肢长比(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.在进行异形柱结构设计时,除满足高规中对结构布置要求外,还应注意几个方面的问题:2.1异形框架的计算由于其截面的特殊性,在柱截面对称轴内受水平力作用时,弹性分析计算其翘曲应力很小,此时如同承受水平力的偏压构件,仍可按平截面假定分析,按砼设计规范计算,特别是在框一剪,框一筒结构中,对6度及其以下烈度区的I,II类场地,框架柱只承担水平风载的-/J部分,如按一般偏压柱计算,误差较小.此时异形柱可用等刚度等面积代换成矩形柱后由程序进行整体分析.而在水平力较大,且水平力作用在非主轴方向,则翘曲应力不容忽视,按平截面假定误差较大,则应对异形柱框架结构进行有限元分析,决定内力和配筋位置及大小.在进行内力计算和配筋计算时,宜选用带有异形柱计算功能的计算软件.现在有一些软件没有异形柱截面形式,如要用它进行计算,要先进行等刚度等面积换算成矩形柱,进行整体分析,得到双向内力后再进行异形柱的截面设计,其工作量相当大,且截面设计的可靠性不高.目前,国内可直接进行异形柱截面内力计算和截面设计的软件有建研院的TAT,SATWE程序,广东省建院的SS,SSW程序以及天津大学的钢筋砼异形柱结构配筋计算程序CRSC.这些程序均用数值积分法进行正截面配筋设计,准确性较高,经过大量工程校算,能有效地满足结构安全性要求.2.2轴压比控制对框架结构,框一剪结构,柱的延性对于耗散地震能量,防止框架的倒塌,起着十分重要的作用,且轴压比又是影响砼柱延性的一个关键指标.由试验结构分析网,柱的侧移延性比随着轴压比的增大而急剧下降.在高轴压比情况下,增加箍筋用量对提高柱的延性作用已很小,因而轴压比大小的控制对柱的延性影响至关重要,特别是异形柱结构剪力中心与截面形心不重合,剪应力使砼柱肢先于普通矩形压剪构件出现裂缝,产生腹剪破坏,加上异形柱多属短柱,这些导致异形柱脆性明显,使异形柱的延性普遍低于矩形柱,因而对异形柱的轴压比要严格控制.在广东规程中,其轴压比按砼设计规范中的要求减少0.05,但其适用高度较低,一般为35m.当高层建筑的高度进一步加大时,其水平力的影响会愈来愈显着,对结构的延性要求也愈高.由天津大学土木系对异形柱延性资料可知,影响异形柱延性的因素比普通柱要复杂,且不同的柱截面形式,如L型,T型,十字型,在相同水平侧移下,其延性性能也有较大差异,因而,轴压比控制应参考天津规程.但天津规程的控制过于繁琐,在结构计算中,柱的纵筋与箍面的直径还没有设定,因而箍筋间距与纵筋直径的比值还无法确定.为在实际工作中便于使用,可按不同的截面形式(L,T,十字型)与不同的抗震等级两项指标从严控制,对低烈度地区的这类结构是能够满足其延性要求的.2.3配筋构造在正确的结构选型及计算后,截面内钢筋的构造也是保证异形柱受力性能的重要因素.由于异形柱截面的特点,柱肢端部会出现较大应力,加上梁作用于柱肢上应力的不均匀,一般越靠肢端应力越大,对柱肢形成偏心压力,进一步加大肢端压应(下转第46页)160mml80mm.混凝土强度等级为C30,石子粒径为5mm31.5mm,砂为中砂.楼层采用混凝土布料机浇筑.混凝土泵管支架必须放置在竹胶板或其他材料的垫板上,禁直接放置在GBF管上,以免刺破GBF管.布料机底座较重,其支架要根据GBF管间距采用脚手管搭设,支架直接支撑在板模上,不允许直接压在GBF管上.布料机放置位置应根据每层楼板的平面尺寸提前设定好,尽量做到在混凝土浇筑过程中布料机移动次数最少,从而加快施工速度.布料机使用塔吊就位.施工时,先浇筑梁部位混凝土,后浇筑板部位混凝土.每块板厚的混凝土要分2步浇筑完成.首先,将每块板的全部GBF管肋部混凝土下料至2/3高,使用插入式混凝土振捣棒仔细振捣,振捣间距为300lnln.所有肋部都必须按规定间距振捣,不得漏振,只有这样才能把GBF管下空气全部排除干净,使管下混凝土振捣密实.若一次将混凝土浇筑到板顶,板肋部位被混凝土掩盖,不但振捣不方便,而GBF管下的空气不易排出,也不能保证肋部混凝土被二次振捣,很容易造成GBF管下混凝土振捣不密实,出现蜂窝,麻面甚至孔洞,影响结构质量.在本块板的所有肋部混凝土浇筑振捣完后.即可将剩余板厚的混凝土浇筑到设计标高,并对肋部混凝土进行二次振捣,最后使用混凝土平板振捣器沿定位卡方向振捣板面混凝土.在使用振捣棒振捣时,对同一部位连续振捣时间不得超过3min,以免损坏GBF管.在板面混凝土进行二次抹压时,即可把定位卡上的拉接铁丝剪断,取出定位卡,对楼板进行找平,抹压,拉毛.在底模拆除后,用角磨机沿板底割除留在楼板下的拉接铁丝,使板底不易看出铁丝痕迹,且混凝土观感好.定位卡取出后,要及时清理干净备用.下次使用前,要在定位卡上涂刷脱模剂,以方便拆除.平行于GBF管部位的施工缝,应留设在肋部.垂直于GBF管部位的施工缝,应根据GBF管排列图把施工缝留设在管端部.施工缝部位不允许出现GBF管外露的现象,以免GBF管被损坏,影响施工质量.6施工要点(1)加强对GBF管端头封堵质量的进场检查,对封堵不严或不牢固的要拒收.(2)在施工现场,要使用钢管脚手架搭设支架放置GBF管.GBF管应平放,堆高不得超过8层,并要挂牌标明其管径和长度,以方便取用,并在堆放场设置护栏.(3)吊装GBF管时应焊接便于吊运的钢笼,长度视管长而定.(4)在使用GBF管前l2h内应浇水冲洗,确保管壁无浮尘,杂物,同时也降低了GBF管的吸水率.(5)注意做好GBF管的固定,避免管上浮.(6)铺设楼板负弯矩钢筋,分布钢筋时应搭设马镫,严禁施工人员踩踏GBF管造成损坏.(7)混凝土必须分2次浇筑到顶,尤其要注意肋部混凝土的振捣,并且应采用30mm直径振捣棒.(8)加强对GBF管的成品保护,避免损坏GBF管,若其出现破损,要用粘结纤维布和水泥素浆修补好.(9)对破损的GBF管应装袋管理集中清运.由于制定了切实可行的施工方案,并交底至施工班组及所有操作人员,特别是使用了自行设计的GBF管定位卡,使得本工程现浇GBF管无梁楼板不但施工速度快,施工质量好,而且经济效益较显着,有力地促进了这项新技术在当地的推广使用.作者简介:边福超,男,汉族,毕业于沈阳大学工民建专业,本科,辽宁沈阳人,从事技术和施工管理工作,现任志品(福州)技术工程有限公司沈阳办事处技术部助理工程师.收稿日期:2005.0527(上接第32页)力.因而在异形柱配筋时,应在肢端设暗柱,暗柱的外排钢筋由计算而定.离端部厚度范围内设214的构造纵筋,箍筋同柱,这样可限制柱肢的混凝土裂缝的开展,提高异形柱局部抗压抗剪强