试论高层住宅结构体系优化设计

摘 要：高层住宅结构体系的设计在高层建筑设计中占据极为重要的地位。文章首先阐述了高层住宅结构体系及住宅发展趋势，并重点从结构体系的合理性分析及结构构件的优化设计两方面重点探讨了高层住宅结构体系优化设计。

关键词：高层住宅；结构设计；优化

中图分类号：TU973 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）023(C)-0303-02

高层住宅的发展和推广是解决城市发展带来的各种城市压力、人口压力、交通压力、居住压力等问题的必然途径，高层住宅的发展和推广可以有效的解决城市中心区域人口密度过大所引起住房问题，也为日后城市发展中，满足日益增长的人口住房需要提供了解决途径。高层住宅结构体系优化设计作为建筑设计的重要组成部分，论文重点探讨了高层住宅结构体系的合理性分析及结构构件的优化设计要点。

一、高层住宅结构体系及住宅发展趋势

（一）在高度较大的高层建筑中，应用较多的是框架―筒体结构、框架结构、筒中筒结构及多筒结构等结构体系。

1、框架结构体系。框架结构体系采用梁、柱组成的结构体系作为建筑竖向承重结构，并同时承受水平荷载，适用于多层或高度不大的高层建筑。框架结构的布置要注意对称均匀和传力途径直接。传统的结构布置采用主次梁的作法为主，逐步向扁梁或无盖梁发展。框架柱是框架结构的主要竖向承重和抗侧力构件，以受压应力为主。框架体系的整体结构的抗侧移和稳定主要靠框架结构自身，其结构侧向刚度差，侧向位移大，因此一般适用于10―12层50m高度以下的建筑。当建筑层数较多时，框架结构的内力和位移很大，不宜选用纯框架结构体系。

2、剪力墙结构体系。剪力墙结构体系是利用建筑物的墙体作为竖向承重和抵抗侧力的结构体系。剪力墙的间距受楼板构件跨度的限制，一般为3―8米。因而剪力墙结构适用于要求小房间的住宅、旅馆等建筑。剪力墙一般采用钢筋混凝土材料，可分为全部为现浇的剪力墙，全部用预制墙板装配而成的剪力墙，内墙为现浇、外墙为预制墙板的剪力墙。现浇钢筋混凝土剪力墙结构的整体性好，刚度大，在水平力作用下侧向变形很小。墙体面积大，承载力要求也比较容易满足，抗震性能也较好。

3、框架―剪力墙结构体系。框架―剪力墙结构是将框架和剪力墙结合在一起而形成的结构形式。它既有框架结构平面布局灵活、适用性强的优点，又有较好的承受水平荷载的能力，是高层建筑中应用比较广泛的一种结构形式。合理的结构设计，将能使框架、剪力墙两种不同变形性能的抗侧力结构很好地协同工作共同发挥作用。

（二）住宅发展趋势

住宅发展趋势有以下几个方面：1、结构体系自重的轻型化。结构体系中越来越重视采用轻质高强材料以减轻结构自重。2、结构体系的巨型化。建筑高度的不断提高和建筑使用功能上对特大空间的要求，促使巨型结构体系产生。3、柱网、开间扩大化。近几年，高层框架内柱网尺寸及高层剪力墙的开间尺寸有渐趋扩大之势。4、高层建筑结构体系中设置转换层。近年来国内外流行集办公、居住、商贸、娱乐为一体的高层综合体。为实现这种功能的综合化，结构选型往往是根据各部分建筑功能要求选择各自适宜的结构体系及合理的柱网尺寸，然后通过转换层的特殊处理将它们联系，组合在同一栋高层建筑中。

二、高层住宅建筑结构体系整体优化设计

（一）增加抗弯结构体系的有效宽度，以调整结构的抗侧刚度。这样做，是非常直接的，也是非常有效的。增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。从材料力学的基本知识可以知道，同样面积、抗倾覆力同结构宽度的关系不同形状，可以获得不同的其几何特征。例如：相等面积的条件下，工字形截面的截面惯性矩要大于矩形截面，而矩形截面又要大于圆形截面。根据这个原理，不难理解加大宽度以后，整个结构的抗侧刚度得到很大提高。在其他条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。当然，必须考虑“剪力滞后”的不利影响，结构体系中竖向构件的水平连接应具有足够的刚性，才能真正达到上述效果。

（二）设计结构分体系时，应使其构件以最有效的方式相互作用。例如，采用具有有效受力状态的弦杆和斜杆的析架体系；在钢筋混凝土抗震墙内配置交叉钢筋，以增强其抗剪能力；调整构件刚度，使框架的刚度比达到最优以取得良好的受力效果。

（三）增大最有效承受荷载构件的面积，充分发挥材料的自身强度，是结构工程师应该时刻考虑的问题以及应该具有的基本结构概念。例如，增大较低楼层框架柱和框架梁的截面高度或受压翼缘面积，就能够直接增大结构的抗侧刚度，有效减小侧向位移，从而改善结构的抗震性能。

（四）水平作用的传递主要是依靠楼板，并且目前几乎所有的结构分析理论所采用的基本假定都是楼板水平刚度无限大。故此，每一层楼盖应该具有足够的刚度和连续性，以起到水平隔板的作用，使各抵抗外力的构件能够协同工作成为整体，而非各自独立。

（五）选择合理的倒塌机制。结构之所以称之为结构，是因为它可以稳定地承受外荷载作用。高层建筑同多层建筑一样，当结构出现一定的塑性铰以后，整个结构变为机构，丧失承载能力。例如框架结构中，塑性铰应先出现在框架梁端，而不是出现在柱端；抗震墙结构和框架抗震墙结构中，塑性铰应先出现在连梁两端而不是出现在剪力墙或者框架柱端。

（六）设置多道设防体系。目前，世界工程抗震的主要思想基本上是一致的小震不坏，中震可修，大震不倒。由于地震作用具有不确定性，防止在罕遇烈度时建筑物发生倒塌，多道抗震防线概念对于实现这一目标是有效的，从而可以保障人民生命的安全。原则上讲，应优先选择不负担或者负担重力荷载很少的竖向支承构件，或者选择轴压比较小的抗震墙、实腹筒体之类的构件作为第一道防线，不宜选用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件，可以利用赘余杆件来增加多抗震防线。

三、结构构件的优化设计

上述主要是针对结构整体合理性的计算和调整，这一步则主要进行结构单个构件内力和配筋计算，包括梁，柱，剪力墙轴压比计算，构件截面优化设计等。

（一）软件对混凝土梁计算显示超筋信息有四种情况。当梁的弯矩设计值M大于梁的极限承载弯矩Mu时，提示超筋。在四级抗震及非抗震时混凝土截面受压区相对高度ξ＞ξb，二、三级抗震时ξ＞0.35（计算时取AS=0.3AS），一级抗震ξ＞0.25（计算时取As=0.5AS），提示超筋。当大于《抗震规范》要求梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.5%时，提示超筋。混凝土梁斜截面计算结果不满足最小截面的要求时，则提示超筋。

（二）剪力墙超筋的情况。剪力墙暗柱超筋。软件中设定的暗柱最大配筋率是4%，而各规范以边缘构件方式给出了剪力墙主筋的配筋面积，没有最大配筋率。所以当程序给出剪力墙超筋的警告信息时，可以酌情考虑；当剪力墙水平筋超筋时则说明该结构抗剪承载力不够，应予以调整；当剪力墙连梁超筋时，通常表明其在水平地震力作用下抗剪承载力不够。规范中允许在地震作用下对剪力墙连梁的刚度进行折减，折减后的剪力墙连梁在都会出现塑性变形，即开裂。但在进行剪力墙连梁设计时，应考虑其配筋是否满弹性变形时承载力的要求。

（三）柱的轴压比计算。软件在计算考虑地震作用下柱的轴压比时，采用的是地震作用组合下的的柱轴力设计值；软件在不考虑地震作用下柱的轴压比时，采取的是非地震作用组合下的柱轴力设计值。因此对于同一个工程，考虑地震力和不考虑地震力时柱的轴压比计算结果会不一样。

（四）剪力墙的轴压比计算。为了保证结构在地震力作用下的延性，新的《高规》和《抗震规范》对剪力墙的轴压比均作了限制。需要指出的是，软件是按单向计算短肢剪力墙的轴压比时，与《高规》中规定按双向计算短肢剪力墙的轴压比有所不同。

（五）构件截面的优化设计。上述得出初始设置的构件截面和形状合理，但还应进行优化设计，使构件在满足受力要求的前提下节省材料。需要注意的是，在进行截面优化设计时，要考虑到构件截面的减小将对结构的周期、位移、地震力等一系列参数产生影响，降低结构的整体安全性，不可盲目地减小构件的截面尺寸。

作者单位：安徽省灵璧县房产管理局

参考文献：

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