工程中結構類型的合理選用

王國強

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

眾所周知破壞性地震是一種巨大的自然災害，由于地震動具有明顯的不確定性和復雜性，迄今人們對地震規律性的認識還不足。歷次大地震的震害經驗表明，在某種意義上，建筑的抗震設計仍然是一門“藝術”，依賴于設計人員的抗震設計理念。因此對一個建筑來講，選擇安全合理的結構形式是十分重要的。那么如何在滿足建筑功能需求及在投資預算允許的范圍內選用合理的結構形式，下面以實際工程為例，講述筆者對這一問題的理解。

某住宅小區擬建7棟住宅樓，住宅樓均為地下1層，地上6層，地下室層高 2.8 m，1 層 ～5 層層高3.0 m，6 層層高 4.0 m，室內外高差1.050，結構總高度為20.050，抗震設防烈度為7 度(0.15g)，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為兩組。以其中一棟為例，標準層建筑平面見圖1。

圖1 標準層建筑平面圖

由于該工程結構總高度為20.050(小于24 m)，故該工程屬多層房屋。多層房屋的結構類型選擇比較多，常見的有砌體結構、框架結構、剪力墻結構等。確定結構類型的幾個主要因素:是否安全可靠、能否滿足使用功能、工程造價是否在允許范圍內。那么在這幾種結構類型中我們如何選擇，下面我們首先看砌體結構。砌體結構材料一般屬脆性材料，砌筑而成的結構也是脆性結構，當然它的抗震性能是很差的，特別是抵御側向水平地震作用時，在變形極小的情況下就會發生開裂，進而突然倒塌。因此砌體結構的使用高度是有嚴格限制的。

查《抗規》可知7度(0.15g)時采用普通磚的房屋層數限值為7層，總高度為21 m，采用砌體結構是可行的。根據結構試算的結果，外墻1層～6層采用360厚，1層～3層內隔墻部分采用360墻，其余采用240墻。另外根據《抗規》7.1.3條“多層砌體承重房屋的層高，不應超過3.6 m。”該工程6層層高為4 m，超過抗規的高度限值，解決方法是在3.6 m高度加結構板，或將6層層高降為3.6 m。

經與建筑協商，主要有以下兩個問題:1)原建筑方案墻體厚度為200厚，如采用砌體結構方案，僅外墻采用360厚就使建筑面積減少約15 m2，而且甲方要求每層的建筑面積要保持一致;2)6層層高4 m是與甲方最終確定的，不能更改，于是協商的結果是砌體結構的方案是不適用于該工程的。那么我們來看框架結構是否適用。

經過汶川地震2010版抗規對框架的內力調整系數進行了修改(見表1)，2010版還規定，甲、乙類框架結構不得采用單跨;框架結構柱的最小截面尺寸，除不超過2層和四級外，比2001版增加100 mm;柱縱向受力鋼筋的最小總配筋率比一般框架增加0.1%、最大軸壓比控制比2001版加嚴0.05。

表1 框架內力調整系數變化對比

查《抗規》可知7度(0.15g)時鋼筋混凝土框架結構的房屋最大適用高度為50 m，采用鋼筋混凝土框架結構是可行的。查《抗規》表6.1.2可知框架的抗震等級為三級。混凝土強度等級采用C30，縱向受力鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB300。經試算框架柱的最小截面為400×400，前3振型的周期、轉角、平動系數(X+Y)見表2。X方向最大層間位移角:1/786;Y方向最大層間位移角:1/818。計算結果的各項指標均滿足規范的要求。

表2 周期、轉角、平動系數(X+Y)(一)

地震作用最大的方向=89.941°。

經與建筑協商，主要問題是結構柱會凸出墻體影響建筑室內效果。這樣的話，為保證建筑的室內效果，我們考慮可否采用異形柱框架結構。根據《混凝土異形柱結構技術規程》異形柱的房屋最大適用高度見表3。

表3 異形柱結構適用的房屋最大高度 m

該工程抗震設防烈度為7度(0.15g)，結構總高度為20.050。顯然異形柱框架結構是不適用于本工程的，只可采用異形柱框架—剪力墻結構。根據《混凝土異形柱結構技術規程》異形柱結構的抗震等級:框架部分為三級，剪力墻部分為二級。混凝土強度等級采用 C30，縱向受力鋼筋采用 HRB400級，箍筋采用HPB300。典型柱截面見圖2，結構平面布置圖見圖3。前3振型的周期、轉角、平動系數(X+Y)見表4。X方向最大層間位移角:1/1 647;Y方向最大層間位移角:1/2 093。

圖2 典型柱截面

圖3 結構平面布置圖

表4 周期、轉角、平動系數(X+Y)(二)

地震作用最大的方向=－1.646°。

采用異形柱框架—剪力墻結構是可以滿足建筑功能的需求，結構計算的各項指標均滿足規范規程的要求。但是結構柱的截面尺寸較大，柱布置較多。結構柱及剪力墻的抗震等級較高，結構柱為三級，剪力墻為二級，底部加強部位及相鄰的上一層設置約束邊緣構件。這樣結構的含鋼量勢必增加，是否有更合適的結構類型。

當采用鋼筋混凝土剪力墻結構時，查《抗規》可知7度(0.15g)時鋼筋混凝土剪力墻房屋最大適用高度為120 m，采用鋼筋混凝土剪力墻結構是可行的。查《抗規》表6.1.2可知剪力墻的抗震等級為四級。混凝土強度等級采用C30，縱向受力鋼筋采用HRB400級，箍筋采用HPB300。經試算，剪力墻平面布置圖見圖4。前3振型的周期、轉角、平動系數(X+Y)見表5。X方向最大層間位移角:1/1 482;Y方向最大層間位移角:1/1 258。

圖4 剪力墻平面布置圖

表5 周期、轉角、平動系數(X+Y)(三)

地震作用最大的方向=0.000°。

采用鋼筋混凝土剪力墻結構是可以滿足建筑功能的需求，結構計算的各項指標均滿足規范的要求。根據《抗規》剪力墻僅底部1層設置加強區，由于剪力墻的抗震等級為四級，該工程不設置約束邊緣構件僅設置構造邊緣構件。查看計算配筋結果文件，墻體配筋大部分為構造配筋，滿足最小配筋率即可。

鋼筋混凝土剪力墻結構和鋼筋混凝土異形柱框架—剪力墻結構同樣都能滿足建筑使用功能的需求。從結構類型的角度分析:剪力墻結構較異形柱框架—剪力墻結構的安全度要高;從工程造價的角度分析:剪力墻結構抗震等級為四級，異形柱框架—剪力墻結構的框架部分為三級，剪力墻部分為二級，僅從構造上剪力墻結構的含鋼量要小于異形柱框架—剪力墻結構。

剪力墻結構安全度高，滿足建筑使用功能的需求，工程造價控制在允許范圍內，最終該工程的結構類型選用剪力墻結構。

我國幅員遼闊，自然環境復雜，是地震頻發的國家，尤其近幾年汶川地震、玉樹地震等大地震災害頻繁發生，給我國人民的生命財產安全帶來了極大的危害。故我們設計人員在結構選型中應在投資預算允許的范圍內采用安全度較高的結構形式。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規范［S］.

［2］GB 50010-2010，混凝土結構設計規范［S］.

［3］JGJ 149-2006，混凝土異形柱結構技術規程［S］.