多層宿舍樓結構優化設計

文／劉顯旺 中煤天津設計工程有限責任公司 天津 300120

引言：

以往多層建筑一般選擇砌體結構，為了提高建筑功能品質，學生或員工宿舍樓樓層3.6m 層高很常見，層數一般為6～7 層，其總高度往往超過《建筑抗震設計規范》對砌體結構最大高度的限值導致不能選擇砌體結構形式。除了砌體結構，根據國家規范規定，多層結構可選擇的結構體系較多，框架系列的有純框架結構、鋼支撐-混凝土框架、框架剪力墻結構、框架核心筒結構，異形柱系列有異形柱框架結構、異形柱框架剪力墻結構，除了上述結構類型，還有純剪力墻結構。雖然以上結構形式都能滿足多層結構的安全性要求，但其安全性、經濟性和適用性需要經過優化設計。

1.工程概況及結構體系優選

1.1 工程概況

某中學公寓樓，屬重點設防類項目，地上6 層，層高3.6m，室內外高差0.45m，房屋總高度為22.05m，抗震設防烈度為7 度0.10g，場地類別三類，基本風壓0.40kN/m2，基本雪壓0.40kN/m2，不上人屋面。

1.2 結構體系優選

1.2.1 砌體結構

根據《建筑抗震設計規范》，7 度設防烈度時采用砌體結構的房屋總高度為21m。其高度超過顯然不能采用砌體結構形式[1]。

1.2.2 鋼筋混凝土框架結構

鋼筋混凝土純框架結構根據抗震設防烈度6 度、7 度、8 度、8 度半、9 度，其最大限制使用高度分別為60m、50m、40m、35m、24m?？蚣芙Y構在平面布置中具有靈活性和多樣性的特點，在應用中不需要設置承重墻體，可以為建筑創造更大的室內空間，但這種結構框架柱截面往往為方柱且其邊長不低于500mm，導致存在室內露柱、露梁等問題[2]，影響公寓內的使用效果，從這點來說其適用性較差，因此多層在住宅、宿舍、公寓類建筑中較少使用。

1.2.3 鋼支撐-混凝土框架結構

《建筑抗震設計規范》附錄G 對這種結構體系的設計要求做了專門規定，其最大適用高度比鋼筋混凝土純框架結構要高，抗震性能比框架結構要好，但由于在住宅類建筑尤其是宿舍類建筑中難以找到合適的支撐布置位置，其同樣存在框架結構室內露柱、露梁的問題，因此在多層住宅、宿舍、公寓類建筑中也不適用。

1.2.4 鋼筋混凝土框架剪力墻結構

鋼筋混凝土框架剪力墻結構根據抗震設防烈度6 度、7 度、8 度、8 度半、9 度，其最大限制使用高度分別為130m、120m、100m、80m、50m。由于其適用高度較高，且同樣存在框架部分在室內露柱、露梁的問題，這類結構往往只用在公共建筑中，在居住建筑中很少采用。

1.2.5 鋼筋混凝土框核心筒結構

由于核心筒剛度極大，鋼筋混凝土框核心筒結構的適用高度更高，往往用在百米高層甚至是超高層的公共建筑中，且由于核心筒占有的面積比例往往較大，用在多層建筑中非常不經濟，框架柱截面也較大，不適用于居住類建筑。

1.2.6 鋼筋混凝土異形柱框架結構

鋼筋混凝土異形柱框架結構，其柱截面形式的厚度尺寸能與墻體保持同厚度，非常好的適應居住類墻體的布置，但由于異形柱的截面抗扭特性較弱，抗側移剛度低，結構的抗震性能較差，在高烈度區往往不建議采用。

1.2.7 鋼筋混凝土異形柱框架結構

鋼筋混凝土異形柱框架剪力墻結構，通過異形框架柱避免了室內露柱、露梁的問題，同時通過設置部分剪力墻增加了結構抗側剛度，一定程度增強了結構體系的抗震性能，但由于異形柱與矩形柱相比其截面特性、內力和變形特性有較大不同而導致其抗震性能相對較差，需要采取特別的抗震措施，其經濟性需要經過比較優選。

1.2.8 鋼筋混凝土剪力墻結構

鋼筋混凝土剪力墻結構可適用的高度也較高，用于多層結構時，其抗側剛度遠超出相應規范[3-5]的要求，多層居住類建筑的剪力墻結構其墻體厚度可以做成與建筑200mm 厚度墻體一致，保證墻柱不在室內突出，很容易滿足建筑的功能要求，而且低烈度區（抗震設防烈度 6 度和 7 度）的地震作用較小，可以預見在罕遇地震作用下，結構進入非彈性狀態時損傷程度相對較輕?，F行結構設計規范中關于剪力墻的設計規定主要針對高層剪力墻結構，多層剪力墻結構的配筋往往采用構造配筋均能遠遠滿足受力要求。

本文就這兩種結構形式在多層宿舍類建筑中的經濟性合理性進行探討，采用某學生宿舍樓為例進行深入對比分析。擬采用剪力墻結構（方案一）和異形柱框架剪力墻結構（方案二），剪力墻結構布置及異形柱框架剪力墻結構布置如圖1 所示。

2.結構方案分析

2.1 材料及抗震等級選用

剪力墻結構和異形柱框架剪力墻結構的豎向構件分別采用C30、C40 混凝土，水平構件均采用C30 混凝土，鋼筋均采用HRB400 鋼筋。

根據《抗規》及《抗震設防分類標準》[6]，房屋高度不超過24m 的重點設防類項目，抗震等級應按提高一度即8度選取抗震等級，確定本工程剪力墻抗震等級應為三級。

根據《異形柱規范》[7]及《抗震設防分類標準》，房屋高度不超過28m 的重點設防類項目，抗震等級應按提高一度即8 度選取抗震等級，確定本工程剪力墻抗震等級應為一級，異形柱框架抗震等級為二級。

2.2 樓層剛度比

《抗規》3.4.3-1 條對于側向剛度不規則的定義為：該層的側向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側向剛度平均值的80%；從計算結果看，兩個方案結構的各樓層剛度比均大于規范限值Rat2_min，結構并無側向剛度不規則的情況，且剪力墻方案的剛度比在兩個方向均略大于異形柱框架剪力墻結構，因此剪力墻結構相對來說其剛度由底層向頂層遞減的速度更快，而且還滿足規范要求，因此從樓層剛度比角度來說，剪力墻結構要優于異形柱框架剪力墻結構，數據見表1及圖2和圖3。

表1 樓層剛度比

圖2 結構X 向樓層剛度比

圖3 結構Y 向樓層剛度比

Ratx1，Raty1（剛度比1）：X、Y 方向本層塔側移剛度與上一層相應塔側移剛度70%的比值或上三層平均側移剛度80%的比值中之較小值。

Ratx2，Raty2（剛度比2）：X、Y 方向本層塔側移剛度與本層層高的乘積與上一層相應塔側移剛度與上層層高的乘積的比值。

2.3 樓層受剪承載力

樓層抗側力結構的層間受剪承載力小于其相鄰上一層受剪承載力的80%為豎向不規則項。兩個方案結構的各樓層受剪承載力均大于規范限值0.8，結構無軟弱層。剪力墻方案的剛度比各樓層均接近1，X 方向在1.0 和1.06之間，Y 方向在0.91 和1.07 之間，異形柱框架剪力墻結構的受剪承載力則表現為底層較小，上部樓層相對較大且基本在1.1 附近，表現出明顯的框剪特性，其整體變化幅度比剪力墻結構較大，因此剪力墻結構各樓層受剪承載力較為均勻，異形柱框架剪力墻結構雖然也不存在豎向不規則，相比較而言剪力墻結構受力性能要優于異形柱框架剪力墻結構，統計情況如表2、圖4、圖5 所示。

表2 各樓層受剪承載力及承載力比值

圖4 結構X 向樓層受剪承載力比（左）圖5 結構Y 向樓層受剪承載力比（右）

2.4 結構周期及振型

表3 所示兩方案的前兩振型均為平動，第三振型為扭轉，剪力墻結構X 和Y 向的平動均不存在扭轉成份，異形柱框架剪力墻結構的第二振型有2%的扭轉成份，說明是異形柱框架剪力墻結構在抗扭轉性能方面相對剪力墻結構較弱，而X 向結構長度比Y 向較長，則扭轉容易在Y向的第二振型上體現出來；從周期比來說，剪力墻結構的0.583 比異形柱框架剪力墻結構的0.612 明顯較小，從第一周期來說，前者的0.9198 比后者的0.8879 較大說明前者剛度較大，上述幾個方面均說明剪力墻結構的抗扭性能比異形柱框架剪力墻結構較好，但整體來說兩方案的扭轉相對較輕，抗扭轉性能均滿足規范要求。

表3 結構周期及振型方向

2.5 地震作用下結構樓層的剪力

從表4 及圖6、圖7 可以看出，X 向兩方案的樓層地震剪力非常接近，剪力墻還略小于異形柱框架剪力墻結構，X 向兩方案的樓層地震剪力則是剪力墻明顯較高，這主要取決于各自結構的自重、剛度及受剪承載力的分布，說明剪力墻結構的自重和剛度均較大，計算結果符合實際。

表4 地震工況樓層剪力統計

圖6 結構X 向樓層地震剪力(左）圖7 結構Y 向樓層地震剪力（右）

2.6 地震作用下豎向構件傾覆力矩

從表5、表6 及圖8、圖9 可以看出，X 向剪力墻方案傾覆力矩小于異形柱框架剪力墻結構，而Y 方向則相反，前者底層總彎矩為X方向63188.4kN.m、81413.4kN.m，后者Y 方向64653.6kN.m、71349.2kN.m，說明剪力墻結構X、Y 兩方向的剛度差距相對較大，而后者兩方向剛度相對接近，工程中的剪力墻結構方案在Y 向剪力墻有優化的空間，從結構變形驗算結構也能驗證這一點。

表5 X 向地震工況下的傾覆力矩（單位 kN.m）

表6 Y 向地震工況下的傾覆力矩（單位 kN.m）

2.7 變形驗算型

方案一的所有工況下結構各樓層X 方向的最大位移比及層間位移比為1.02，Y 方向的最大位移比及層間位移比為1.21、X 方向的最大樓層位移角為1/1184，Y 方向的最大樓層位移角為1/1541，均滿足規范要求并接近規范限值，Y 向剪力墻有優化的空間。

方案二的所有工況下結構各樓層X 方向的最大位移比及層間位移比為1.03，Y 方向的最大位移比及層間位移比為1.26、X 方向的最大樓層位移角為1/877，Y 方向的最大樓層位移角為1/945，均滿足規范要求并接近規范限值。

3.兩方案的經濟性對比分析

由于房間大小及梁布置均相同，故板配筋應一樣，本表不統計樓板配筋。統計建筑面積均為7650m2，根據最近市場信息價，鋼筋綜合造價按4500 元/噸，C30 造價為469 元/m3，C40 造價為491 元/ m3。

根據表7 統計結果可知，異形柱框架剪力墻結構的混凝土用量0.210m3/m2比剪力墻結構0.237m3/m2要低12%，但由于異形柱體系的抗震等級較高，軸壓比要求很嚴格，其豎向構件的混凝土標號需提高，最終造價僅相差不到10%。而鋼筋用量方面，也是因為異形柱結構體系抗震等級比剪力墻結構體系的高出兩級，導致異形柱框架剪力墻的豎向及水平抗震構件的含鋼量23.93kg/m2比剪力墻結構19.48kg/m2高出約4.5 kg/m2，鋼筋含量造價高出達到23%?？傇靸r方面異形柱框架剪力墻結構要比剪力墻結構高出5%，約合每平米高出10.6 元。

表7 鋼筋及混凝土造價對比

結語：

通過對6 層宿舍樓的兩種結構方案優化設計與經濟性對比分析，兩種結構體系均可以很好的滿足結構設計要求，整體抗震性能剪力墻結構比異形柱框架剪力墻結構要好，經濟性方面異形柱框架剪力墻結構要比剪力墻結構混凝用量稍低，低約10%，但含鋼量高出4.5 公斤/m2，單位面積鋼筋造價高出達到23%，鋼筋混凝土總造價高出5%，約合10.6 元/m2，因此這種多層宿舍樓若超出砌體結構限制高度后，應優先選擇剪力墻結構，無論是抗震性能還是經濟性都比異形柱框架剪力墻結構要好。