浅谈高层住宅结构设计的应用

摘要: 随着社会的进步，人民对生活品质要求不断的提高，高层住宅因此大量涌现，如何使我们的高层住宅经济美观合理对我们这些结构设计技术人员来说是新的挑战。本文主要从高层住宅的基础设计、剪力墙设计、楼板设计等方面阐述了如何做好高层住宅结构设计，以达到理想的要求。

关键词: 结构设计 基础 剪力墙 楼板

1结构计算分析与总体指标控制

结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有: SATWETAT、TBSA或ETABSSAP等。但是, 由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异, 导致了各软件的计算结果或大或小。所以, 在进行工程整体结构计算和分析时, 必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件, 并从不同软件相差较大的计算结果中。判断哪个是合理的。特别在抗震超限分析中, 哪个是可以作为参考的, 哪个又是意义不大的, 这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则, 如果选择了不合适的计算软件, 不但会浪费大量的时间和精力, 而且有可能使结构有不安全的隐患存在。

计算判断结构抗震是否可行的主要依据。是在风荷载和地震作用下水平位移的限值; 地震作用下, 结构的振型曲线, 自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中。总体指标对建筑物的总体判别十分有用。

如若刚度太大, 周期太短, 导致地震效应增大, 造成不必要的材料浪费, 但刚度太小, 结构变形太大, 影响建筑物的使用。对合理的刚度, 笔者建议: 对高层住宅u /H取1 /2 500 - 1 /3 500, 刚重比在10～15之间是比较合理的。周期约为层数的0.06倍～0.08倍之间。另外, 对结构布置扭转的控制, 在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2 倍, 不应大于该楼层平均值的1.5 倍。当然,对于顶层构件可不考虑在内。否则很难满足上述指标。

2高层住宅的基础设计

高层建筑基础设计一直是结构工程师极其关注和重视的一方面。目前, 高层剪力墙体系由于考虑埋置深度的要求。一般均设置地下室。常用桩基型式有预制钢筋混凝土方桩、PHC管桩、钻孔灌注桩及钻孔灌注后压浆桩。基础则采用桩筏基础。如何对桩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。例如某一工程, 上部十八层带一地下室。根据勘察报告, 采用中400 mm预应力管桩, 可选桩长25 m, 单桩承载力特征值Ra = 900 kN; 桩长34 m, 单桩承载力特征值Ra = 1 300 kN。采用25 m桩需290根, 采用34 m桩需200根。但采用25 m桩为满樘布置, 筏板厚需1 200 mm; 而采34 m桩为墙下布置, 筏板可减至900 mm, 经济性明显。因此, 基础选型应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, 是不妥当的。

嵌固端的设置问题: 由于高层建筑一般都带有一或二层的地下室和人防, 嵌固端有可能设置在地下室顶板,也有可能设置在人防顶板等位置。在这个问题上结构设计工程师往往忽视了由嵌固端的设置带来的一系列需要注意的方面。如: 嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等等问题。而忽略其中任何一个方面, 都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。

3高层住宅的剪力墙设计

(1) 由于目前的住宅内部空间以及美观的要求, 以及建筑造价经济合理的要求, 从而对结构体系的要求也随之提高, 剪力墙结构(含部分短肢剪力墙) 就是适应建筑要求而形成的特殊的结构。剪力墙布置必须均匀合理, 使整个建筑物的质心和刚心趋于重合, 且两向的刚重比接近。结构布置应避免一字形剪力墙。若出现则应布置成长墙( h /w > 8) 。应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上, 若无法避免, 则剪力墙相应部位应设置暗柱。当梁高大于墙厚的2.5倍时, 应计算暗柱配筋。转角处墙肢应尽可能长,因转角处应力容易集中, 有条件两个方向均应布置成长墙。规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比8倍以下为短墙, 大于8倍则为普通墙。这就引起高厚比为7.9倍及8.1倍的两种墙的受力特性截然不同, 而配筋亦大相径庭, 显得比较机械而不合理。在新规范中对短肢剪力墙在高层建筑中的应用增加了相当多的限制, 应尽可能少采用短肢剪力墙。

(2) 剪力墙配筋及构造。对于高层住宅来说, 剪力墙是面广量大的。因此, 合理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 mm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筋率即可。笔者建议加强区Φ10间距200, 非加强区Φ8 间距200双层双向即可。双排钢筋之间采用Φ6间距600 ×600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。地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.6条规定: 迎水面保护层应大于50 mm,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50 mm计算,这是不妥当的。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。一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件: 其余剪力墙应按《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.17条设置构造边缘构件。本节仅就构造边缘构件的配筋作一点讨论。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1.2%, 一般部位1.0%; 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, 这并不妥当。建议一: 计算中另一方向短肢不进入刚度, 则配筋可不考虑该方向短肢影响; 二: 计算中短肢进入刚度, 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剪力墙的楼层处均设置暗梁。目前,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。笔者认为对于框架--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,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×300 mm,配筋上下各2Φ16 mm,一般部位断面可取墙厚×250 mm。配筋上下各2Φ14 mm即可。

4高层住宅的楼板设计

伴随着商品混凝土的推广, 建筑楼面出现裂缝的机率加大。并且日益受到人们的关注。专家认为, 控制裂缝是个系统工程, 楼面结构出现裂缝原因复杂。有材料、温度变化等原因, 也有设计、施工使用等方面问题; 而楼面沿板内预埋管线出现的裂缝尚未引起工程人员足够重视。从设计方面看, 以下成因应当重视, 利于有目的进行裂缝控制。楼板刚度不足: 设计按多跨连续板进行配筋计算, 侧重于满足结构安全, 较少考虑混凝土收缩特性和温度变形等多种因素。楼板高跨比仅为L /33～L /35。其刚度较小对裂缝控制很不利。

楼板构造配筋设计不周: 设计在支座处按常规配设负筋, 在中部板面不配钢筋。当板面出现温度变形和混凝土收缩, 因无构造钢筋约束, 板面即出现裂缝。楼板内布线欠合理: 由于水电施工图由各专业设计。实际施工中出现水电管交叉叠放, 或由于设计考虑管内容线面积, 部分预埋管径≥25 mm, 且设计管线位置在楼板跨中。即在单层双向配筋处, 楼板有效截面受到很大程度( 15% ～40% ) 削弱, 成为楼板最易开裂的部位。当楼板收缩应力大于混凝土极限抗拉强度时, 即出现沿管线表面呈直线状的裂缝。

从房屋的空间结构来看, 剪力墙刚度大约束了剪力墙间梁板的水平向自由变形, 而梁刚度又较板刚度大。因各类因素引起的水平向收缩变形均集中到剪力墙间刚度最小的板上, 造成这块板开裂。对策及建议: 梁板混凝土强度等级不宜大于C30, 楼板应双层双向配筋; 屋面、转换层楼面配筋宜加强; 楼板内管线应避免出现交叉(将交叉部位设置在梁或墙上) , 控制管线直径。使其不超过板厚的20%且≤25 mm; 重视房屋护构件(外墙、屋面、门窗等) 的保温设计, 若使房屋具有良好的保温性能, 不仅可大幅度降低房屋长期能耗, 更是减少因温差变形而引起裂缝的有效手段。

5结束语

综上所述,高层住宅的建设中尚有许多需要设计人员去解决的问题。如设计更好的户型, 创造更优雅的居住环境, 降低成本等。笔者认为建筑设计师只要不断地创新, 不断地提高与改进结构设计, 不断地推广与宣传，才能做出一个优秀的结构设计方案。

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