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【論文】小高層建筑結(jié)構(gòu)型式探討
(時(shí)間:2008/9/25 9:43:38)
      1 緒言
  
  目前,在浙江沿海各大城市,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,城市化進(jìn)程的進(jìn)一步深入,城市居民對(duì)住房要求日益提高。但城市土地資源的稀缺勢(shì)必要求住宅向高層發(fā)展,其中小高層住宅日益成為業(yè)主及用戶的首選。
  對(duì)小高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),首先擺在結(jié)構(gòu)工程師面前的是結(jié)構(gòu)選型的問題,到底何種結(jié)構(gòu)體系在適用性、經(jīng)濟(jì)性、抗震性能等幾方面為最佳呢?本文就以某小區(qū)為例,對(duì)目前普遍采用的幾種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析比較,以期拋磚引玉,為工程同行及業(yè)主在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段確定結(jié)構(gòu)選型時(shí),提供參考。
  
  2 結(jié)構(gòu)方案概述
  
  某小區(qū)的某幢住宅,十二層,一梯兩戶兩單元,對(duì)稱結(jié)構(gòu),層高均為2.90m,建筑物總高34.80m,長(zhǎng)34.20m,寬14.70m,每層面積490m2,總面積5880m2,抗震烈度為6度,場(chǎng)地土類別為三類,基本風(fēng)壓:0.60kn/m,采用“多層及高層建筑結(jié)構(gòu)三維分析與設(shè)計(jì)軟件”(SATWE)程序及有關(guān)規(guī)范對(duì)不同的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算并分析比較。
  
  2.1 框架結(jié)構(gòu)
  此方案的特點(diǎn)是一般用于多層結(jié)構(gòu)及小高層結(jié)構(gòu),適用高度范圍一般為60.0m以下(6度設(shè)防)?蚣芙Y(jié)構(gòu)布置靈活,具有較大的室內(nèi)空間,使用較為方便。填充墻可采用輕質(zhì)隔墻,減輕結(jié)構(gòu)自重。但內(nèi)凸的框架柱直接影響到戶型的實(shí)際使用面積及家具布置。
  
  2.2 異型柱框架結(jié)構(gòu)
  這種結(jié)構(gòu)體系是框架結(jié)構(gòu)的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式,它除了具有框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)外,與墻同寬的異型柱很好地解決了建筑平面使用問題。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《砼異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJl49-2006第3.1.2條抗震設(shè)計(jì)為6度時(shí),異型柱結(jié)構(gòu)適用的房屋最大高度為24m,本工程建筑總高為34.80m。故不宜采用異型柱框架結(jié)構(gòu)。
  
  2.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)
  這種結(jié)構(gòu)體系一般用于高層結(jié)構(gòu),在近幾年的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛,此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載,框架柱主要承受豎向荷載。這種結(jié)構(gòu)既具有框架結(jié)構(gòu)布置靈活,使用方便的特點(diǎn),又具有較大的剛度和較強(qiáng)的抗震能力。但內(nèi)凸的框架柱同樣影響到戶型的實(shí)際使用面積及家具布置。
  
  2.4 異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)
  這種結(jié)構(gòu)體系是框架剪力墻的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式,此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載,異型柱主要承受豎向荷載,水平位移及層間位移大大減小。同時(shí),與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。
  
  2.5 普通剪力墻結(jié)構(gòu)
  這種結(jié)構(gòu)體系一般用于高層結(jié)構(gòu)住宅,尤其在30層左右的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。此方案的特點(diǎn)是根據(jù)建筑平面布局而設(shè)置鋼筋砼墻,與墻同寬的剪力墻很好地解決了建筑平面使用問題。
  該總高度僅34.8m,抗震設(shè)防烈度為6度區(qū),若采用純剪力墻結(jié)構(gòu),造價(jià)高,故不作為該工程的首選結(jié)構(gòu)類型。
  
  2.6 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)
  此方案的特點(diǎn)是適應(yīng)建筑要求而形成的特殊的剪力墻結(jié)構(gòu),根據(jù)建筑平面布置,在建筑物凹凸轉(zhuǎn)角處布置各種行式的短墻肢,主要形式有:—型、Y型、+型、T型、Z型、Y型等。因采用這種結(jié)構(gòu)體系時(shí),將中部的電梯間、樓梯間和管道井四周的剪力墻組成筒體結(jié)構(gòu),四周布置短肢剪力墻,也可根據(jù)需要布置一些長(zhǎng)肢墻,所以結(jié)構(gòu)布置極為靈活,基本上能根據(jù)建筑的要求布置豎向受力構(gòu)件。
  
  3 結(jié)構(gòu)抗震性能的比較
  
  3.1 框架結(jié)構(gòu)
  一般用于多層及小高層結(jié)構(gòu),即10層以下或建筑物高度H小于28.0m,對(duì)H大于30.0m的框架結(jié)構(gòu),在抗震設(shè)防烈度為6度地區(qū),《高規(guī)》第4.8.2條規(guī)定,抗震等級(jí)為三級(jí),SATWE程序計(jì)算結(jié)果顯示,此結(jié)構(gòu)在水平荷載(風(fēng)荷載及地震荷載)的作用下,水平位移及層間位移為最大(1/1200);由于框架柱作為唯一的抗水平力構(gòu)件,軸壓比限值為0.90,故框架柱截面尺寸較大,內(nèi)凸的框架柱直接影響到戶型的實(shí)際使用面積及家具布置。而且,最為嚴(yán)重的是,由于建筑的平面使用或立面造形的要求,經(jīng)常出現(xiàn)框架兩一端擱置在柱上,另一端擱置在梁上;或幾根框架柱并不在一條軸線上,往往出現(xiàn)單跨框架的現(xiàn)象,成為抗震薄弱環(huán)節(jié)。所以,在考慮抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)中,由于框架梁柱截面較小,抗震性能較差,剛度較低,特別是采用砌體填充墻時(shí),地震中填充墻損壞嚴(yán)重,修復(fù)費(fèi)用很高。故對(duì)高層結(jié)構(gòu)不宜采用。
  
  3.2 異型柱框架結(jié)構(gòu)
  異型柱在受剪承載力、節(jié)點(diǎn)承載力和延性等受力性能方面比普通矩形柱差,在水平地震作用下,柱內(nèi)鋼筋的粘結(jié)錨易遭受破壞,對(duì)抗震性能有不利影響。因此,鋼筋砼異型柱框架及框架抗震墻結(jié)構(gòu)的房屋應(yīng)在一定的高度及適用范圍內(nèi)應(yīng)用,而不能等同于一般的鋼筋砼結(jié)構(gòu)。根據(jù)《砼異型柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》適用于總高度小于24m的房屋。當(dāng)建筑的高度較高時(shí),異形柱無(wú)法滿足軸力和抗側(cè)力的要求。所以,異型柱框架結(jié)構(gòu)相比較而言,抗震性能為最差。
 3.3 框架剪力墻結(jié)構(gòu)
  一般用于高層結(jié)構(gòu),在近幾年的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛,此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載,框架柱主要承受豎向荷載,水平位移及層間位移大大減小,軸壓比限值較框架結(jié)構(gòu)放寬,但考慮框架柱的構(gòu)造要求,及實(shí)際計(jì)算中若軸壓比大于0.90,則柱配筋較大,所以在小柱網(wǎng)的住宅中,與框架結(jié)構(gòu)相比,柱截面尺寸與不可能小很多,同樣存在上述建筑使用問題。
  
  3.4 異型柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)
  這種結(jié)構(gòu)體系是框架剪力墻的一個(gè)派生結(jié)構(gòu)形式,此方案的特點(diǎn)是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載,異型柱主要承受豎向荷載,水平位移及層間位移大大減小。同時(shí),與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。6度地區(qū),框架剪力墻結(jié)構(gòu)總高度不得超過45.0m,柱中距不大于7.20m?拐鸬燃(jí)之所以異形柱有上述的限制條件,主要是異形柱的肢長(zhǎng)較短,當(dāng)建筑的高度較高時(shí),異形柱無(wú)法滿足軸力和抗側(cè)力的要求。在6度設(shè)防地區(qū),建筑物高度大于18.0m抗震等級(jí)即為三級(jí),這點(diǎn)較框架結(jié)構(gòu)(60.0m)嚴(yán)格。
  
  3.5 普通剪力墻結(jié)構(gòu)
  一般用于高層結(jié)構(gòu)住宅,尤其在30層左右的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。此方案的特點(diǎn)是根據(jù)建筑平面布局而設(shè)置鋼筋砼墻,適當(dāng)部位開結(jié)構(gòu)洞,以輕質(zhì)填充墻代替,以減輕結(jié)構(gòu)自重及工程造價(jià),可使各墻段剛度均勻,抗震性能好,水平位移及層間位移大大減小,尤其在戶型的實(shí)際使用面積及家具布置中。
  
  3.6 短肢剪力墻結(jié)構(gòu)
  由于短肢剪力墻抗震性能較差,地震區(qū)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不多,為安全起見,對(duì)這種結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的最大適用高度、使用范圍、抗震等級(jí)、墻肢厚度、軸壓比、截面剪力設(shè)計(jì)值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴(yán)格的限制。
  
  4 計(jì)算結(jié)果的比較
  
  對(duì)以上所述六種結(jié)構(gòu)形式,本人統(tǒng)一采用“建科院SATWE”進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果列表表示。
  根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果:
  
  4.1 地震周期
  框架結(jié)構(gòu)最大(T1=1.6463S),短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最小,異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)次之,其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然,這是與結(jié)構(gòu)的剛度有直接關(guān)系。
  
  
  
  4.2 水平地震剪力
  框架結(jié)構(gòu)最小(1347.77f),短肢剪力墻結(jié)構(gòu)最大,異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)次之,其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然,這是與結(jié)構(gòu)的地震周期是一致的。
  
  4.3 最大層間位移
  框架結(jié)構(gòu)最大(Dx/h=1/455),短肢剪力墻結(jié)構(gòu)次之(1/3591),其余結(jié)構(gòu)相差不大。顯然,這是與結(jié)構(gòu)的剛度是一致的。
  
  4.4 結(jié)構(gòu)自重
  框架結(jié)構(gòu)最大,其余結(jié)構(gòu)相差不大(約8300t);钶d相差不大(約600t)。恒載占總重量的百分比為93%以上,故在高層計(jì)算中,一般可不考慮恒活最不利組合,這對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)影響。
  
  4.5 砼用量
  短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大(約146m3),其余結(jié)構(gòu)相差不大(約1333)。相差了146/13.1=1.1倍。
  
  4.6 鋼筋用量
  短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大(約18.5f),其余結(jié)構(gòu)相差不大(約16.0t)。相差了18.5/16.0=1.15倍。這是由于前者結(jié)構(gòu)的最小配筋率要求較高。
  
  4.7 工程造價(jià)
  短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異

型柱剪力墻結(jié)構(gòu)較大(約405元/m3),框架結(jié)構(gòu)最小(349元/m2)。這是由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)與異型柱剪力墻結(jié)構(gòu)在砼用量和鋼筋用量均較高。
  
  4.8 基礎(chǔ)造價(jià)
  根據(jù)第4)項(xiàng)的分析結(jié)果,基礎(chǔ)造價(jià)基本上與建筑物結(jié)構(gòu)自重一致,這里不另做分析比較。
  
  5 結(jié)論
  
  對(duì)以上各類結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析,各種類型均有優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑物所處的地區(qū)、業(yè)主的要求以及地質(zhì)條件在滿足國(guó)家規(guī)范及強(qiáng)制性條文的要求下選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。

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