高层住宅结构设计选型与设计

摘 要：人们对高层建筑的空间要求越来越高,高层住宅结构以剪力墙结构居多.本文从高层住宅结构设计的结构选型、经济分析,到高层住宅结构设计时的剪力墙布置、结构计算、构造措施及绘图细节做了简要的举例说明.为类似的工程设计提供参考.

关 键 词：剪力墙结构设计选型结构分析设计绘图

一、前言

近年来随着我国国民经济的迅猛发展,建筑业已经成为我国的支柱产业,在国家城乡一体化统筹发展思路指引下,城市化进程加快,房地产开发和农居安置房的建设开展的如火如荼.由于经济的发展,加之土地资源宝贵,所以高层住宅小区占了很大的比例.本文以具体的工程实例为例,系统的介绍高层住宅设计中结构专业从结构选型、经济分析,到竖向构件布置、结构计算、构造措施及绘图细节,以供结构设计人员参考.

二、结构选型与经济分析

确定建筑结构方案应综合考虑房屋的重要性、设防烈度、场地类别、房屋高度、地基基础和施工条件并结合结构体系的经济合理,选择最合适的结构体系.

在结构方案设计阶段,首先考虑建筑的使用功能对内部空间的需要.小空间平面布置方案,适用于住宅及旅馆的客房部.在较低的楼房中,水平荷载处于次要地位,结构的负荷主要以重力为代表的竖向荷载.高层建筑的受力特点是承受竖向荷载和水平荷载的作用,随着建筑物高度的增加,水平荷载（风或地震力）产生的内力和位移迅速增加.以下介绍在高层住宅中使用最多的3种结构体系.

1、剪力墙结构

剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构,它既承担垂直荷载、也抵抗水平力.因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑,故在其身平面内有很大的侧向刚度,属于刚性结构,能承受较大的水平荷载（剪力）、“剪力墙”即由此而得名.剪力墙墙肢截面高度与厚度的比值大于8,特点是整体性能好,侧向刚度大,水平力下侧向位移小,并且由于没有梁柱等外露或凸出部分,便于房间布置.剪力墙结构是一种传统、成熟、受力性能良好的结构形式,其缺点是结构墙体相对多、自重较大.综合评价,这种结构形式深受用户和建筑是的欢迎,因而在许多高层住宅建筑中得到了光泛的应用.剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都做成实体的钢筋混凝土结构,它既承担垂直荷载、也抵抗水平力.因剪力墙是一整片高大的墙体、侧面又有刚性楼盖的支撑,故在其身平面内有很大的侧向刚度,属于刚性结构,能承受较大的水平荷载（剪力）、“剪力墙”即由此而得名.

2.框架剪力墙结构

框架剪力墙结构是指由普通框架柱与一般剪力墙共同组成的一种结构形式,由框架与剪力墙共同承担荷载.它具有框架与剪力墙共同受力的优点,又能获得较大的房屋空间.但是由于现在建筑平面布置较灵活,框架布置非常复杂,很难形成规则的受力体系,并且随着房间布局的变化,容易产生柱楞和凸出的大梁,影响建筑外观和使用功能.同时,由于多次受力转换,梁板的受力性能受到影响,提高了造价.

3.异型柱框架剪力墙结构

采用异型柱框架剪力墙结构的墙肢截面高度与厚度的比值不大于4,柱肢受力情况复杂.由于对该结构形式的抗震性能存在很多争议,该结构形式也一直没有得到国家规范的承认,在很多地区的应用受限.经过近几年的实验和研究,该结构形式通过了国家抗震规范的审查.规范对这种结构形式的最大适用高度、使用范围、抗震等级、一般剪力墙承受的地震倾覆力矩、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率、体积配箍率等作了严格的规定.同时,由于结构断面较小,克服了框架剪力墙结构适用性不好的缺点,该结构形式受到了业主和用户的欢迎.但必须明确的是,由于异型柱的断面很小,梁柱节点核心区钢筋密集,施工振捣困难,该结构形式的力学性能和抗震性能被削弱,须仔细计算核心区的相关数据.这种结构形式是我国独创的,主要是为了降低造价.

结论,在高层住宅中结合业主的意见、当地抗震设防烈度,工程造价、建筑使用功能、当地审查机构的认识等诸因素来决定的.应该说,剪力墙结构由于其良好的性价比受到设计人员的青睐.

四、剪力墙的平面布置

（1）平面布置应尽可能的分散、对称、双向.要尽可能的布置在建筑物的尤其是角部,以便减少扭转效应,墙体尽量采用T型、L型、十字型,尽量避免一字型墙体.

（2）建筑物的四角是保证结构整体性的重要部位,在地震作用下,建筑物发生平动、扭转和弯曲变形,位于建筑自交的结构构件受力较为复杂,其安全性又直接影响建筑物角部甚至整体建筑的抗倒塌能力.

（3）剪力墙的门窗洞口宜上下对齐、成列布置,形成明确的墙肢和连梁.一、二、抗震等级剪力墙底部加强部位不宜采用上下洞口不对齐的错洞墙,一、二、抗震等级剪力墙所有部位均不宜采用叠合错洞墙.当采用错洞墙和叠合错洞墙时,应按有限元方法计算,并在洞口周边采取加强措施,或将叠合洞口转化为规则洞口.

（4）避免采用较多的短肢剪力墙,当结构中有少量短肢剪力墙时,应按照相应规范对其做加强措施.

五、墙肢长度和厚度的选取

1、墙肢的长度

剪力墙墙肢长度一般不宜大于8m.结构设计中的剪力墙结构应具有延性,细高的剪力墙（高宽比大于2）容易设计中弯曲破坏的延性剪力墙,从而可避免脆性的剪切破坏.当墙的长度很长时,为了满足每隔墙段高宽比大于2的要求,可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙,洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁（其跨高比宜大于6）,使其可近似认为分成了独立墙段.

2、墙肢厚度的选取

规定剪力墙的最小厚度,其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能.其厚度要求见表1.

对短肢剪力墙结构,规定其抗震等级应必表1中规定的抗震等级要高一级采用.故除6度区外,短肢剪力墙的抗震等级至少为一级.对于住宅建筑,填充墙厚一般为200mm,相应剪力墙墙厚也取为200mm.住宅层高一般为2.8～3.0m,故墙厚取200mm,除底层加强区的一字型短肢剪力墙外,均能满足规范要求.

对于无地下室的高层住宅,因其基础埋深一般在2.5m以上,则底层墙体高度会在5.0m以上,若按层高1/16确定墙厚,将超过300mm,大于填充墙厚度.为避免出现这种情况,在布置剪力墙时,应结合建筑平面,尽量不用一字型剪力墙,而采用L、T、Z、十字型等截面形式,且使翼缘长度大于其厚度的3倍,这样一方面墙体抗震性能更好,另一方面墙厚也可取为剪力墙无支长度1/16.由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0m,故厚度采用200mm满足构造要求.

六、剪力墙结构的结构构造措施以及施工图应注意的一些问题

1、类似“细腰”型平面的“腰”的宽度应满足国家规范和地方性建设标准.在高层住宅中一般为两个电梯,则两个电梯洞口间的板的位置,需要采取措施加强其连接作用.常用的措施是,加强薄弱区或“腰”区的板厚（厚度可取120mm）,并双层双向配筋的方式与于加强.

2、《高规》2010版7.2.27中提到的梁端钢筋满足锚固长度的问题,当设置梁头在建筑功能上使用不便时,且计算数据不是很大时,梁端可采用细钢筋（如直径14mm）来满足锚固长度,画梁图时应该注意.

3、在剪力墙施工图中可采用墙身水平钢筋替代边缘构件钢筋的画法,对于约束边缘构件可以参见标准图集11G101-1,构造边缘构件可以参见下图的做法.此做法在满足相关规范的情况下,可以一定程度的降低含钢量,即经济又合理.