高層住宅建筑結構設計的重點事項研究

袁見明

（湖南方圓建筑工程設計有限公司，湖南長沙 410011）

0 引言

伴隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的高層住宅建筑得到了建設。但就目前來看，高層住宅建筑結構設計容易出現(xiàn)問題，導致建筑結構安全受到了較大危險。一旦發(fā)生事故，則將引起人員傷亡，使得建筑結構設計引發(fā)了社會廣泛關注。因此，還應加強高層住宅建筑結構設計重點事項分析，以便使建筑結構得到科學設計。

1 高層住宅建筑結構設計特點

在高層住宅建筑中，主要采用框架結構、剪力墻結構和框剪結構。其中，框架結構由桿件剛性連接構成，能夠靈活進行空間布置。但梁柱截面較小，使得結構剛度小，側移大，抵抗力較差，不適用于地震區(qū)。剪力墻結構則是首選結構形式，能夠利用鋼筋混凝土墻體對水平力、豎向力進行承載，利用剪力墻對墻體和樓板進行較好連接[1]。該種結構剛度較大，具有較強抗震能力?？蚣艚Y構是利用大剪力墻對部分框架結構進行替代，利用樓板和連梁構成結構體系，使結構整體剛度得到提升，受水平荷載作用可以產生較高承載力。實際在高層住宅建筑結構設計中，需要考慮結構延性，確保結構進入塑性階段依然維持較強變形能力，以免建筑發(fā)生坍塌問題。結構側移需要控制在一定限度范圍內，避免水平荷載作用下結構發(fā)生過大側移變形。由于豎向荷載基本為確定數(shù)值，風荷載、地震作用等將有所變化，水平荷載變化幅度較大，設計時應確保引發(fā)的軸力、彎矩能夠與樓房高度成正比，以免結構受到過大影響[2]。而在豎向荷載過大時，結構柱將發(fā)生較大軸向變形，導致連續(xù)梁中間支座位置負彎矩變小，跨中正彎矩與端支座彎矩加大，影響結構安全性。此外，高層住宅建筑需要加強結構抗震設計，保證建筑做到小震不壞、大震不倒。

2 高層住宅工程概況及其結構設計要點

2.1 工程概況

某高層住宅項目地上35層，1~5層為商業(yè)建筑，6層為轉換層，7層及以上為住宅，地下一層，建設有停車場、消防通道。建筑采用剪力墻結構體系，剪力墻直接落地。上部設置伸縮縫，凈寬300mm，使地下室頂部與上部結構保持獨立，左塔和右塔長分別為32.6m和56m。

2.2 結構布局分析

對建筑結構體系展開分析，可以發(fā)現(xiàn)存在一定不規(guī)則性，在結構布局上需要多次驗算，促使結構抗扭能力得到提高。

在水平布局方面，應加強層間位置控制。利用層間位移比、位移角，能夠使平面布置的不規(guī)范性得到控制，避免結構產生過大偏心力，以免引發(fā)較大扭轉效應。在結構正常運轉狀態(tài)下，水平位移能夠得到限制，保證結構具備足夠強度和剛度，避免過大位移導致結構承受力受到影響。在案例中，部分樓層最大層間位移和兩端層間位移比在1.2~1.4范圍內，還應對剛度分布進行優(yōu)化，以便使結構出現(xiàn)的扭轉不規(guī)則問題得到改善。在邊梁和邊墻設計中，還應使結構對扭轉剛度貢獻得到增加。為滿足建筑使用功能要求，建筑1~5層設計較多樓梯，將造成樓板存在大開洞，導致剪力墻剛度被削弱。為彌補結構剛度損失，需要將樓梯按照圍合形式進行布置，構成筒體結構。此外，需采用150厚板對1~5層樓板剛度進行加強，在適當提高配筋率的同時，完成雙層雙向鋼筋設置，使結構整體剛度得到提高。

從建筑豎向布局上來看，轉換層結構設計將引發(fā)豎向不規(guī)則問題。采取豎向抗側力構件不連續(xù)形式進行轉換層布局，容易導致結構因不規(guī)則問題出現(xiàn)超限情況。因此在設計階段需要完成抗震縫設置，也可以對樓板結構進行增設。而轉換層位于6層，相對較高，需要保證轉換層上、下樓板剛度達到要求，促使上、下部結構得到嚴格控制，達到一定剛度比要求。等效剛度比越小，說明上、下結構位移角、內力發(fā)生明顯突變。而上、下結構部分等效側剛度較為接近，能夠使結構部件內部應力得到消除，使變形突變得到減少，因此設計時還應將剛度比設定為1。無法達到這一要求，可以對柱體、墻體等豎向構件強度進行調整。針對6層以上樓層，考慮到樓板較薄，需要對連接板剛度進行加強，采用150厚板的同時，完成雙層鋼筋配置。在建筑28層位置，需要完成局部收進，盡管幅度較小，并未引發(fā)豎向不規(guī)則問題，但容易產生位移突變。為防止高位出現(xiàn)薄弱層，需要設計上下剪力墻進行加強設計，使上、下層剛度比得到有效控制。

2.3 結構受力分析

在建筑結構設計中，需要對結構豎向荷載和水平荷載作用力展開分析，保證結構整體穩(wěn)定。剪力墻結構受力具有一定復雜性，還要利用三維分析軟件完成結構整體性能分析，確認各部分是否存在薄弱環(huán)節(jié)。采用有限元分析軟件，可以對梁、柱等構件配筋展開分析，確認各部分結構能否達到使用要求。建筑采用剪力墻結構為A級，結構高寬比限值為6。從結構設計情況來看，左塔高寬比為7.88，右塔為6.8。從整體來看，工程高度比超出100m，還要利用彈性時程分析法進行分析，研究風載、地震作用等水平荷載作用下結構整體抗傾覆情況，并對結構墻、柱等豎向構件抗壓力狀況展開分析。通過對各部分結構最大程度破壞展開分析，能夠為結構配筋優(yōu)化提供依據(jù)，促使結構整體性能得到改善。

根據(jù)結構實際尺寸，需要分別建立左塔和右塔結構模型，達到基礎頂面，對嵌固層側向桿固定展開分析。針對地下室部分，需要將1-2跨并入主體，對結構進行整體分析。結合結構動力特性，按規(guī)范選擇3條地震波，開展多遇地震下的動力時程分析。建筑特征周期為0.51s，結構阻尼比為0.05，地震波主分量峰值加速度為35cm/s2。采用天然地震波對建筑底層剪力分析，能夠確認底部剪力墻加強結構可以達到設計性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下層剛度比能夠達到設計要求。而從局部結構受力情況來看，在裙房屋面位置和局部收進位置存在剛度和位移明顯變化，分別位于建筑第7層和第29層。盡管分析得到的指標符合規(guī)范要求，但還應對結構進行加強設計，以免結構發(fā)生突變問題。

2.4 結構抗震設計

為滿足結構抗震設計要求，還要對地震下結構位移展開分析，利用靜力彈塑性分析方法確認結構設計能否達到要求。在結構優(yōu)化中，還要從結構穩(wěn)定性、承載力等各方面采取措施，促使結構性能得到增強。針對結構薄弱位置，還應采取措施進行鞏固，促使結構抗震能力得到提高，為人員生命財產安全提供保障。實際在抗震設計中，一般需設置多道抗震防線，完成建筑抗側力構件合理布置，保證結構受力均勻[3]。在高層住宅建筑中，還應加強剪重比參數(shù)控制，以便對各樓層最小抗震剪力進行限制，使周期長短和結構安全得到保證。如果周期偏小，與規(guī)范限值存在一定差距，還要對豎向構件剪力進行增強，通過提高構件強度達到結構調整目標。通過合理的抗震設計，才能使建筑在地震作用下產生的破壞得到最大限度降低。

采用SATWE軟件進行結構分析計算，對地震作用下建筑左、右兩塔的剪力和剪重比展開分析可以發(fā)現(xiàn)，在X方向上，左塔剪重比為1.88%，右塔剪重比為1.46%。在Y方向上，左塔剪重比為2.08%，右塔剪重比為1.61%。根據(jù)結果可知，左塔底部剪重比較大，能夠滿足規(guī)范要求，右塔剪重比略小于規(guī)范要求。結合結構受力、單元位移等分析結果，可以認為兩部分結構整體剛度比合理，只需要對局部剪重比不達標的樓層進行調整即可滿足抗震性能設計要求。實際在結構抗震設計中，考慮到轉換層位置較高，剪力墻設計需要達到一級抗震要求，設計值達到基礎值的1.6倍以上。在建筑上部結構剛度得到提升的情況下，還要使剪力得到增大，確保上、下部分得到有效協(xié)調。結合建筑實際情況，在建筑上部結構設計中，還應選用輕質隔墻材料，使結構自重得到減輕，促使剛度處于合理范圍。針對轉換層與相鄰樓板位置，還應適當增加鋼筋數(shù)量，使關鍵位置結構性能得到提高，促使結構抗扭力強度得到增強。

3 結論

綜上所述，在高層住宅建筑結構設計方面，無論采用哪種結構形式，都應保證結構整體性能可以滿足建筑設計要求，在保證結構穩(wěn)固、安全的基礎上，為建筑建設、使用提供支持。實際在結構設計中，還要做到實現(xiàn)結構合理布局，加強結構受力分析和抗震設計，確保建筑在地震作用下能夠保持結構整體穩(wěn)定，同時減少局部破壞的發(fā)生，為建筑可持續(xù)發(fā)展提供保障。