高烈度區(qū)高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計探析

錢 衛(wèi) （南京市凱盛建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

0 引 述

在高烈度區(qū)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計為最大的難點。一般情況下，同樣高度的建筑，地震設(shè)防烈度越高，其結(jié)構(gòu)的抗震等級就越高；抗震等級越高，豎向受力構(gòu)件的允許軸壓比就越低，節(jié)點核心區(qū)的抗剪要求就越高，這對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來講是比較困難的。

1 前期階段

項目前期階段，選取正確的結(jié)構(gòu)體系是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)型式的合理選擇是結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，如果結(jié)構(gòu)體系選取錯誤，那么結(jié)構(gòu)設(shè)計出來的建筑將會嚴(yán)重影響建筑的美觀，還會大大增加建筑的工程造價。在結(jié)構(gòu)安全的情況下，結(jié)構(gòu)的造價越經(jīng)濟(jì)越好，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計師具有良好的工程經(jīng)驗和扎實的力學(xué)概念；一味的照抄別人設(shè)計的施工圖，或者按照經(jīng)驗而不進(jìn)行區(qū)別思考設(shè)計出的結(jié)構(gòu)，可能會造成一定的浪費。雖然建筑設(shè)計對于某些設(shè)計人員來講，就是圖紙上的內(nèi)容，卻不設(shè)身處地為建設(shè)單位考慮。例如：基礎(chǔ)設(shè)計時，設(shè)計人員需要明白基礎(chǔ)造價的基本常識，同樣情況下，第一考慮獨立基礎(chǔ)，再次是筏板基礎(chǔ)，如果地基承載力不能支撐整個上部結(jié)構(gòu)的重量時，但是地基承載力相差不多，此時我們考慮進(jìn)行地基處理；如果地基承載力與整個上部結(jié)構(gòu)的重量相差太多時，我們可考慮樁基礎(chǔ)或者樁筏基礎(chǔ)。如果地基條件能夠滿足獨立基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)要求時，這時如果基礎(chǔ)采取樁基，那么地基承載力就會白白的浪費，僅此一項可以節(jié)省工程土建造價的10%左右。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果結(jié)構(gòu)體系必須采用框剪結(jié)構(gòu)的如果采用框架結(jié)構(gòu)的，可能最終指標(biāo)能夠滿足規(guī)范要求，但是造價會大大增加；相反如果結(jié)構(gòu)體系只需采用框架結(jié)構(gòu)就能輕松滿足相關(guān)指標(biāo)時， 這種情況下采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)同樣也會造成浪費。如何選取正確的結(jié)構(gòu)體系，需要設(shè)計人員具有相當(dāng)豐富的經(jīng)驗和扎實的設(shè)計概念。

作為結(jié)構(gòu)設(shè)計師，還需明白大體的結(jié)構(gòu)造價組成，而結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性一般以單位面積用鋼量控制為主，以單位面積混凝土折算厚度為輔。例如高層住宅結(jié)構(gòu)中，一般地區(qū)，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的大體用鋼量區(qū)間： 板為10kg/m2、 梁為13～18kg/m2、 墻柱為18～25kg/m2，從此項可以看出結(jié)構(gòu)中用鋼量最大的豎向受力構(gòu)件墻柱部分，那么在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需仔細(xì)核對墻柱部分的配筋部分；如果不加區(qū)分地從下到上統(tǒng)一配筋，將會造成不小的浪費。

2 主體設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)中，建筑方案上需要一定的大空間，不宜設(shè)置剪力墻而只能設(shè)置框架柱時，此時這種結(jié)構(gòu)體系可定義為少量框架柱的剪力墻結(jié)構(gòu)。 此種結(jié)構(gòu)體系設(shè)計時需明確以下的幾點：該結(jié)構(gòu)體系仍屬剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻的抗震等級按照純剪力墻結(jié)構(gòu)確定；框架柱的抗震等級可不低于剪力墻，或者按照框架剪力墻結(jié)構(gòu)確定框架柱的抗震等級。 對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，需采取包絡(luò)設(shè)計：不考慮框架柱的剛度影響，全部地震作用由剪力墻承擔(dān)，按照剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計出剪力墻的配筋；考慮框架柱的剛度影響，按照框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計出框架柱的配筋。

現(xiàn)行規(guī)范對機(jī)動車停車位要求越來越多，并且要求停車位設(shè)置在地面以下的比例越來越高，所以很多新建小區(qū)為了滿足停車位的要求，必須設(shè)置地下室。地下室的功能一般可分為：機(jī)動車停車部分、非機(jī)動車停車部分、儲藏部分及人防部位。一般情況，非機(jī)動車停車部分、儲藏部分及人防部位可以設(shè)置在主樓的下方，而機(jī)動車停車位需要較為規(guī)整的尺寸空間，只能設(shè)置在小區(qū)綠化的下方，如此設(shè)計整個小區(qū)地下將會挖空。小區(qū)主樓設(shè)置在地下室上方，必須采取相應(yīng)的措施使地下室頂板滿足嵌固端的要求。一般小區(qū)綠化部分為了設(shè)備埋管和種植樹木覆土需要，需要將地下室頂板下沉1.0m～1.5m，那室外地下室頂板與主樓的正負(fù)零頂板形成較大的落差。地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端，主要是滿足地震作用時能夠?qū)⑺搅τ行鬟f，此時需將高差處的框架梁進(jìn)行構(gòu)造處理。首先需將框架梁的抗震等級進(jìn)行提高，對梁進(jìn)行加寬加腋處理，縱筋進(jìn)行加強(qiáng)，并且對箍筋進(jìn)行加粗加密處理，經(jīng)過以上處理措施之后，即可認(rèn)為滿足相關(guān)要求。地下室頂板在設(shè)計時，需根據(jù)建筑要求是否考慮消防車荷載，如果需考慮消防車荷載時，可以考慮采用較大的區(qū)隔板進(jìn)行設(shè)計， 這樣可以減少上部結(jié)構(gòu)的消防車荷載，同時需注意基礎(chǔ)設(shè)計時可以不考慮消防車荷載，而應(yīng)根據(jù)正常使用情況進(jìn)行考慮，但需考慮施工荷載。地下室外墻是地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，地下室外墻一般取1m 墻體單元按照上部鉸接、下端固結(jié)的受力模型進(jìn)行分析。此種模型往往忽略了框架柱支座作用，根據(jù)對大量已建成小區(qū)地下室的觀察，在地下室外墻的中部區(qū)間出現(xiàn)豎向裂縫情況較多，對此在設(shè)計地下室外墻時內(nèi)側(cè)水平分布筋在該區(qū)域需加強(qiáng)。

在高烈度區(qū)，高層住宅的主要結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑方案往往將樓梯設(shè)置在建筑的邊部，而在結(jié)構(gòu)設(shè)計時在樓梯間布置了剪力墻結(jié)構(gòu)，由于剪力墻的兩側(cè)均沒有樓板連接，在結(jié)構(gòu)分析時認(rèn)為這種情況不能有效傳遞水平力，模型與實際情況不符，此時可考慮將此剪力墻取消，而改設(shè)框架柱，按照兩種不同的工況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計。同樣，建筑方案為了滿足建筑多面開窗的要求，將建筑外形設(shè)計成凹凸?fàn)?，局部形成?xì)腰結(jié)構(gòu)，此時需將中間的樓板的板厚及配筋進(jìn)行加強(qiáng)處理。

連梁設(shè)計是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中的難點，連梁的計算模型不同其計算結(jié)果差異很大。連梁可以作為梁單元輸入，同樣可以作為剪力墻開洞形成。對于剪力墻結(jié)構(gòu)，一般情況下，可以認(rèn)為連梁的凈跨度與連梁的截面高度的比值宜大于5， 為弱連梁，可采用梁模型輸入；而高烈度區(qū)的強(qiáng)連梁可采用剪力墻開洞形成，為強(qiáng)連梁。剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻的墻肢長度也不宜過長，一般不宜超過8m；一旦墻肢長度過長，會造成墻體剛度太大，延性較差，不利于抗震，此時需對墻體進(jìn)行開洞處理，在墻體之間設(shè)置連梁。當(dāng)連梁按照梁單元設(shè)計時，連梁的剛度要明顯小于墻體單元，此時結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移較大，連梁配筋較小，墻肢配筋較大；同樣連梁按照墻體開洞輸入，連梁作為墻體一部分，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較大，位移較小，連梁配筋加大，而墻體配筋較小。地震作用發(fā)生時，連梁作為剪力墻結(jié)構(gòu)的第一道防線，允許其出現(xiàn)裂縫，所以連梁不宜設(shè)置的過大，使得結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移。如果連梁高度太大，那么我們可考慮設(shè)置水平縫進(jìn)行處理。同時連梁上方不宜設(shè)置次梁與之搭接，如果無法避免時，需按照重力荷載作用下進(jìn)行縱筋補(bǔ)充設(shè)計。連梁的超筋是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中常出現(xiàn)的問題，如何確保連梁的強(qiáng)剪弱彎，連梁塑性發(fā)展后其他構(gòu)件有足夠的抗震能力是比較重要的。首先采取調(diào)幅，如調(diào)幅不能通過則減小連梁截面；如果以上均不能通過計算，在連梁兩端進(jìn)行點絞，同時需將連梁兩側(cè)的墻體配筋相應(yīng)的增大；最終在連梁配筋時不宜無故加大連梁的配筋。

剪力墻結(jié)構(gòu)的四周一般需設(shè)置剪力墻，而不宜設(shè)計轉(zhuǎn)角陽臺和轉(zhuǎn)角窗，方案無法避免設(shè)置這些結(jié)構(gòu)后，此時破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和封閉性，將會使地震作用無法有效傳遞，于抗震不利。當(dāng)建筑方案無法避免時，此時需進(jìn)行加強(qiáng)措施，如采取框架梁或者暗梁，加強(qiáng)樓板作用及提高轉(zhuǎn)角窗、轉(zhuǎn)角陽臺兩側(cè)墻體的穩(wěn)定性，同時需對樓板加厚，配筋雙層雙向進(jìn)行處理。

3 基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)計時，地質(zhì)勘查報告是結(jié)構(gòu)設(shè)計師的第一手資料。在設(shè)計基礎(chǔ)時，最好能夠參照當(dāng)?shù)氐念愃乒こ?，以免造成浪費。基礎(chǔ)是隱蔽工程，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中非常重要，并且造價占的比重較高，設(shè)計出經(jīng)濟(jì)而安全的基礎(chǔ)是設(shè)計師必需掌握的技能。通過查看地質(zhì)勘查報告后，首先需確定基礎(chǔ)的型式，是否需要考慮液化作用。如果地質(zhì)情況良好，或者通過地基加固的處理方式進(jìn)行處理可以采用獨立基礎(chǔ)或者筏板基礎(chǔ)時，能夠充分發(fā)揮地基土的承載力是設(shè)計師優(yōu)先考慮的基礎(chǔ)型式，在基礎(chǔ)埋深滿足相關(guān)規(guī)范及承載力要求后，基礎(chǔ)應(yīng)盡量淺埋。如果設(shè)計基礎(chǔ)為筏板時，筏板在配筋時可以不考慮裂縫的影響。當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足上部結(jié)構(gòu)的荷載時，可考慮采用樁基礎(chǔ)。當(dāng)建筑存在純地下室部分（上部無塔樓）時，需考慮抗浮設(shè)計?？垢∷灰话愀鶕?jù)地勘報告確定，如地勘未明確時，一般按照室外地坪下0.5m 進(jìn)行考慮，地下室的抗浮一般優(yōu)先考慮自重，當(dāng)結(jié)構(gòu)自重不能滿足抗浮的要求，可以考慮設(shè)置抗拔樁或者增加配重；同樣在設(shè)計地下室底板時需考慮地下水位的作用。

[1]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]JGJ3-2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GDA 0003-2012，高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一技術(shù)措施[S].廣東省建筑設(shè)計研究院標(biāo)準(zhǔn)，2012.

[4]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.