1、1对小高层的建筑结构设计探讨摘要：随着我国经济的快速发展，城市建设用地日益紧张，于是小高层逐渐代替多层成为城市建筑的主要建筑形态。随着人民生活水平的提高，对小高层的建筑结构的实用性、抗震性和设计等提出更高的要求。关键词：小高层；建筑结构；设计 Abstract: with the rapid development of economy in our country, the urban construction land increasingly nervous, so the small high-rise gradually instead of multilayer become th
2、e main architectural form of urban construction. With the improvement of peoples living standard, the practicability, earthquake resistance of small high-rise building structure and design put forward higher request. Key words: small high-level; Building structure; design 中图分类号：TU973 文献标识码：A 文章编号：20
3、95-2104(2013) 一、小高层建筑的定义 在现在的城市房地产市场，根据楼层的不同分类，3 层以下为低层，3 至 6 层为多层，7 至 9 层为中高层，9-12 层为小高层，12-33 层为高层，总高度超过 100 米为超高层。按照国家的相关规定，7 层以上必须配备电梯，小高层属于楼层相对不高，但又配备电梯的建筑形式，因此给居住2生活带来方便同时更带来居住的新感觉。一般情况下，小高层采取的是一梯两户的建筑结构，这样好处就是可以得到较好的采光和通风。层高一般为国家规定的标准层高 2.9 米，宽度要求在 14.7 米以上，随着汶川地震的发生，为了保障居民生命财产安全，现在国家要求小高层防震等
4、级需达到 8 级以上。 二、小高层住宅建筑结构的选型 小高层住宅建筑一般可采用以下几种结构类型: 1.框架结构 框架是由横梁和柱通过节点而组成。框架的横梁或柱，既承受垂直荷载也承受水平荷载。在小高层房屋中，随着房屋层数的增多和总高度的增加，水平力对结构构件的截面尺寸和配筋量的控制作用就愈大，在框架结构中更加突出。框架横梁的内力，主要是剪力和弯矩，柱的内力，主要是轴力和弯矩。框架结构建筑平面布置灵活、可形成较大的空间且在立面处理上，也易于表现建筑艺术的要求，是框架结构优点。 2.剪力墙结构 剪力墙结构房屋是将房屋的内、外墙都采用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
5、高大的墙体侧面又有刚性楼盖的支撑，故在其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。在水平荷载作角下，剪力墙是一个底部固定顶端自由的竖向悬臂梁，主要是因墙肢的拉压而产生“弯曲型”变形。剪力墙结构房屋因被实体的剪力墙分割成各个单独的空间，建筑布置和使用都受到一定的限制，故仅用于抗震高烈度地区的住宅建筑。 33.框架- 剪力墙结构 框架-剪力墙结构也称框剪结构，这种结构是在框架结构中布置一定数量的框架柱，构成灵活自由的使用空间，满足不同建筑功能的要求，同样又有足够的剪力墙，有相当大的刚度。在小高层建筑中，采用框架-剪力墙体系，既可以使建筑平面布置比较灵活，又能满足结构在强度上和抗侧
6、移刚度方面的要求。 一般情况下,小高层民用建筑的主要结构形式为框架结构。但是在抗震设防地区,如果仍然采用框架结构,将导致柱截面过大,影响建筑的使用功能或外观效果,并且使建筑结构不够经济。如果采用框架-剪力墙结构,可以减小柱截面,满足建筑的要求,有效减少结构侧移,从而降低结构造价框架-剪力墙体系在小高层建筑中以广泛应用。 三、小高层建筑的基础设计 研究地基基础对建筑抗震能力的影响,作出恰当的选择,已成为高层建筑结构设计的重要部分,基础是房屋的根基,是房屋中极为重要的组成部分,一幢房屋如果没有一个坚实可靠的基础,再好的上部结构也不可能正常发挥其作用, 甚至可能导致上部结构的破坏与倾斜。基础类型的选
7、择往往比上部结构选型更困难。影响因素更多,因此也更要谨慎。小高层建筑的基础类型,应根据地基的性质,结构类型, 荷载特点,施工条件等因素综合考虑。 目前的小高层由于考虑埋置深度的要求, 一般均设置地下室。如何对基础进行合理选型, 将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。例如,某工程,上部十层带一地下室,根据勘察报告,采用 400 预应力管桩, 4桩长 25 m, 单桩承载力特征值 R a=900 kN, 桩长 34 m, 单桩承载力特征值 R a= 1 300 kN。采用 25 m 桩需要 290 根, 采用 34 m 桩需要 200 根。从桩本身比较两种方案,总的桩延米数量相当,但采用 25
8、m 桩为满堂布置, 筏板厚需 1 200 mm,而采用 34 m 桩为墙下布置 , 筏板可减至 900 mm,经济性明显。因此,认为基础选型应作方案比较,才能选定经济合理的方案。而对于筏板厚度的取值, 则应考虑桩冲切、角桩冲切、墙冲切及板配筋等多方面的因素。 另外, 筏板长度的设置也须研究探讨, 由于考虑地下室的使用合理性,常规采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝,后浇带的作用是明显的,但也给施工带来了不少麻烦，甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。而有些小高层,长宽均达 100 m 以上,中间就设置几条后浇带,也没有其他措施,这样是不妥当的。 四、小高层剪力墙的配筋及构造 对于
9、小高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。 1.剪力墙墙体配筋(以 200 厚墙体为例) 一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可。建议加强区 10200 非加强区 8200 双层双向即可，双排钢筋之间采用中 6600X600 拉筋。但地下部分墙体配筋则另当别论。 因为地下部分墙体配筋大多由水压力，土压力产生的侧压力控制，而由于简化计算经常由竖向筋控制，此种情况下为增大计算墙体有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。 5地下部分墙体钢筋保护层按 地下工程防水技术规范第
10、 4.1.6 条规定, 迎水面保护层应大于 50mm,且在保护层内按 混凝土结构设计规范第 9.2.4 条规定增设双向钢筋网片。在这种情况下，很多设计人员在进行外墙裂缝验算时有效截面高度仍按保护层 50mm 计算，笔者认为是不妥当的，当采取了双向钢筋网片后。计算保护层厚度至少可按 30 mm 来取值，这对节省墙体配筋效果相当明显。 2.剪力墙按规范应设置边缘构件，边缘构件的设置及配筋在 高层建筑混凝土结构技术规程 中有明确的要求，但笔者有不同看法，笔者认为首先要区分剪力墙的受力特性及类别，即：普通剪力墙（长墙） ，短肢剪力墙，小墙肢和一个方向长肢墙而另一方向属短肢墙来区别对待配筋。对于普通剪力
11、墙，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率，建议加强区 0.7%,一般部位 0.5%；对于短肢剪力墙，应按高规第 7.1.2 条控制配筋率加强区 1.2%,一般部位 1.0%；对于小墙肢其受力性能较差，应严格按高规控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区，一般部位，而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体，设计中往往就按长肢墙进行暗柱配筋，笔者认为这并不妥当，建议有两种方法。其一，计算中另一方向短肢不进人刚度，则配筋可不考虑该方向短肢影响；其二，计算中短肢进人刚度，则配筋中应考虑该方向短肢的不利影响，建议该短肢配筋率加强区 1.0%，一般部位 0.8%。 3.剪力墙中的连梁
12、跨度小，截面高度大，在地震作用下弯矩，剪力很大，有时很难进行设计，如果加大连梁高度，配筋值有时反而更大。连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高。对于门6洞，上述所示情况梁的高度是一样的；但对于窗洞，连梁高度如果从窗洞算到上一层窗底，有时则高度太高，这样高跨比太大，并且与计算图形不符，相应配筋亦较大，不合理。笔者建议，连梁高度计算与设计统一规定从洞顶算到楼板面或屋面，对于窗洞楼面至窗台部分可用砖或其他轻质材料砌筑，对于窗台有飘窗时，可再增加一根梁，两根梁之间用砖填充。连梁配筋应对称配置，腰筋同墙体水平筋。 4.各设计院在剪力墙的楼层处均设置暗梁，而对暗梁的作用及配筋亦各有理解，笔
13、者认为对于框架一剪力墙结构，如剪力墙周边仅有柱而无梁时，则设置暗梁，并且要求剪力墙两端是明柱，这是因为周边有梁柱的剪力墙，抗震性能要比一般剪力墙要好。剪力墙结构则没有这方面的要求，在墙板交接处设置暗梁对加强墙体整体性作用还是有的，但究竟有多大则无从确定。因此笔者认为，就目前而言，在楼层位置设置暗梁是可行的，但没有必要设置太大断面及配筋，建议底部加强区断面可取墙厚 x300，配筋上下各 216，一般部位断面可取墙厚 x250，配筋上下各 214 即可。 五、小高层住宅建筑结构设计策略 1.优化设计的方法 当前，在无成熟的优化设计分析软件的情况下，主要是应用小高层住宅结构分析软件，采用人工分析进行
14、调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案，这是在结构设计中最常用的也是最简单的优选或者说是优化方法。用概念设计的方法所得的方案是较合理、经济的，虽其费工费时、对设7计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。对于同一小高层住宅方案，可以有许多不同的结构(包括基础)布置方案;确定了结构布置的小高层住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法;分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的;小高层住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断
15、。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行。 2.抗震性能分析 对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。 高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑 5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构
16、体系满足刚度要求。但就使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，结构自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高;同时也增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水8平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求;同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。 3.经济性比较 我们通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混
17、凝土住宅结构单位面积直接费相差不是很多，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架剪力墙结构的单位面积直接费最小，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费比框架剪力墙结构的单位面积直接费高出 12.5%，比大开间剪力墙结构的单位面积直接费高出 7.3%，大开间剪力墙结构的单位面积直接费比框架一剪力墙结构的单位面积直接费高出 4.9%。三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。单位面积造价框架剪力墙结构的最小，大开间剪力墙结构的次之，短肢剪力墙结构的会稍微较大些，然而三种结构体系直接费最大相差不到 45 元/。 结束语 在当前小高层的建筑结构设计中，在保证建筑质量的前提下要采取新技术和新工艺，提高房屋的抗震性和实用性。同时在设计的时候重点考虑当地的居住习惯，尽量避免空间面积的浪费，最大限度的满足人们的居住习惯和消费心态。 参考文献： 91张靖.小高层建筑结构型式的探讨j.中国新技术新产品,2009. 2杨忠.浅谈小高层住宅结构设计j.工程与建设,2011. 3温炳棠.小高层建筑剪力墙结构设计的探讨j.城市建设理论研究,2012.
