工程中结构类型的合理选用

王国强

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

众所周知破坏性地震是一种巨大的自然灾害，由于地震动具有明显的不确定性和复杂性，迄今人们对地震规律性的认识还不足。历次大地震的震害经验表明，在某种意义上，建筑的抗震设计仍然是一门“艺术”，依赖于设计人员的抗震设计理念。因此对一个建筑来讲，选择安全合理的结构形式是十分重要的。那么如何在满足建筑功能需求及在投资预算允许的范围内选用合理的结构形式，下面以实际工程为例，讲述笔者对这一问题的理解。

某住宅小区拟建7栋住宅楼，住宅楼均为地下1层，地上6层，地下室层高 2.8 m，1 层 ～5 层层高3.0 m，6 层层高 4.0 m，室内外高差1.050，结构总高度为20.050，抗震设防烈度为7 度(0.15g)，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为两组。以其中一栋为例，标准层建筑平面见图1。

图1 标准层建筑平面图

由于该工程结构总高度为20.050(小于24 m)，故该工程属多层房屋。多层房屋的结构类型选择比较多，常见的有砌体结构、框架结构、剪力墙结构等。确定结构类型的几个主要因素:是否安全可靠、能否满足使用功能、工程造价是否在允许范围内。那么在这几种结构类型中我们如何选择，下面我们首先看砌体结构。砌体结构材料一般属脆性材料，砌筑而成的结构也是脆性结构，当然它的抗震性能是很差的，特别是抵御侧向水平地震作用时，在变形极小的情况下就会发生开裂，进而突然倒塌。因此砌体结构的使用高度是有严格限制的。

查《抗规》可知7度(0.15g)时采用普通砖的房屋层数限值为7层，总高度为21 m，采用砌体结构是可行的。根据结构试算的结果，外墙1层～6层采用360厚，1层～3层内隔墙部分采用360墙，其余采用240墙。另外根据《抗规》7.1.3条“多层砌体承重房屋的层高，不应超过3.6 m。”该工程6层层高为4 m，超过抗规的高度限值，解决方法是在3.6 m高度加结构板，或将6层层高降为3.6 m。

经与建筑协商，主要有以下两个问题:1)原建筑方案墙体厚度为200厚，如采用砌体结构方案，仅外墙采用360厚就使建筑面积减少约15 m2，而且甲方要求每层的建筑面积要保持一致;2)6层层高4 m是与甲方最终确定的，不能更改，于是协商的结果是砌体结构的方案是不适用于该工程的。那么我们来看框架结构是否适用。

经过汶川地震2010版抗规对框架的内力调整系数进行了修改(见表1)，2010版还规定，甲、乙类框架结构不得采用单跨;框架结构柱的最小截面尺寸，除不超过2层和四级外，比2001版增加100 mm;柱纵向受力钢筋的最小总配筋率比一般框架增加0.1%、最大轴压比控制比2001版加严0.05。

表1 框架内力调整系数变化对比

查《抗规》可知7度(0.15g)时钢筋混凝土框架结构的房屋最大适用高度为50 m，采用钢筋混凝土框架结构是可行的。查《抗规》表6.1.2可知框架的抗震等级为三级。混凝土强度等级采用C30，纵向受力钢筋采用HRB400级，箍筋采用HPB300。经试算框架柱的最小截面为400×400，前3振型的周期、转角、平动系数(X+Y)见表2。X方向最大层间位移角:1/786;Y方向最大层间位移角:1/818。计算结果的各项指标均满足规范的要求。

表2 周期、转角、平动系数(X+Y)(一)

地震作用最大的方向=89.941°。

经与建筑协商，主要问题是结构柱会凸出墙体影响建筑室内效果。这样的话，为保证建筑的室内效果，我们考虑可否采用异形柱框架结构。根据《混凝土异形柱结构技术规程》异形柱的房屋最大适用高度见表3。

表3 异形柱结构适用的房屋最大高度 m

该工程抗震设防烈度为7度(0.15g)，结构总高度为20.050。显然异形柱框架结构是不适用于本工程的，只可采用异形柱框架—剪力墙结构。根据《混凝土异形柱结构技术规程》异形柱结构的抗震等级:框架部分为三级，剪力墙部分为二级。混凝土强度等级采用 C30，纵向受力钢筋采用 HRB400级，箍筋采用HPB300。典型柱截面见图2，结构平面布置图见图3。前3振型的周期、转角、平动系数(X+Y)见表4。X方向最大层间位移角:1/1 647;Y方向最大层间位移角:1/2 093。

图2 典型柱截面

图3 结构平面布置图

表4 周期、转角、平动系数(X+Y)(二)

地震作用最大的方向=－1.646°。

采用异形柱框架—剪力墙结构是可以满足建筑功能的需求，结构计算的各项指标均满足规范规程的要求。但是结构柱的截面尺寸较大，柱布置较多。结构柱及剪力墙的抗震等级较高，结构柱为三级，剪力墙为二级，底部加强部位及相邻的上一层设置约束边缘构件。这样结构的含钢量势必增加，是否有更合适的结构类型。

当采用钢筋混凝土剪力墙结构时，查《抗规》可知7度(0.15g)时钢筋混凝土剪力墙房屋最大适用高度为120 m，采用钢筋混凝土剪力墙结构是可行的。查《抗规》表6.1.2可知剪力墙的抗震等级为四级。混凝土强度等级采用C30，纵向受力钢筋采用HRB400级，箍筋采用HPB300。经试算，剪力墙平面布置图见图4。前3振型的周期、转角、平动系数(X+Y)见表5。X方向最大层间位移角:1/1 482;Y方向最大层间位移角:1/1 258。

图4 剪力墙平面布置图

表5 周期、转角、平动系数(X+Y)(三)

地震作用最大的方向=0.000°。

采用钢筋混凝土剪力墙结构是可以满足建筑功能的需求，结构计算的各项指标均满足规范的要求。根据《抗规》剪力墙仅底部1层设置加强区，由于剪力墙的抗震等级为四级，该工程不设置约束边缘构件仅设置构造边缘构件。查看计算配筋结果文件，墙体配筋大部分为构造配筋，满足最小配筋率即可。

钢筋混凝土剪力墙结构和钢筋混凝土异形柱框架—剪力墙结构同样都能满足建筑使用功能的需求。从结构类型的角度分析:剪力墙结构较异形柱框架—剪力墙结构的安全度要高;从工程造价的角度分析:剪力墙结构抗震等级为四级，异形柱框架—剪力墙结构的框架部分为三级，剪力墙部分为二级，仅从构造上剪力墙结构的含钢量要小于异形柱框架—剪力墙结构。

剪力墙结构安全度高，满足建筑使用功能的需求，工程造价控制在允许范围内，最终该工程的结构类型选用剪力墙结构。

我国幅员辽阔，自然环境复杂，是地震频发的国家，尤其近几年汶川地震、玉树地震等大地震灾害频繁发生，给我国人民的生命财产安全带来了极大的危害。故我们设计人员在结构选型中应在投资预算允许的范围内采用安全度较高的结构形式。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］GB 50010-2010，混凝土结构设计规范［S］.

［3］JGJ 149-2006，混凝土异形柱结构技术规程［S］.