小高层住宅结构设计探讨

吴琳 李加斌

摘要：随着社会经济的繁荣，我国小高层建筑发展迅速。设计思想也在不断更新。结构体系日趋多样化选择好的结构方案，使得在结构设计中即满足建筑使用要求，又能保证结构的安全性、合理性、经济性。

关键词：小高层住宅；结构形式；结构方案

中图分类号：TB482.2文献标识码：A

1小高层住宅的优越性

随着住宅层数的增加,容积率的提高,同等规模的居住区的用地面积也会相应减少。小高层住宅能有效地节约用地。住宅设计应以人为本。电梯的使用,体现了对人的关怀。小高层住宅电梯的使用,不仅解决了垂直交通问题,方便居民(尤其是老龄居民)的出入,而且大大提高了房屋的居住品质。小高层住宅由于采用框架和剪力墙结构体系,整体性、抗震性都大大优于多层砖混结构。小高层住宅的经济性体现在电梯的优化设计和土建费用较低方面。总之,小高层的整体投入低于高层,其中7层～9层的小高层住宅的投入只略高于多层住宅,但由于节约了土地,也就减少了资源浪费、节省了大笔的费用。

2小高层住宅的基本结构形式

2.1框架结构

框架结构一般适用干多层结构和小高层结构，适用高度范围在60.0m以下(6度设防)框架结构具有布置灵活，可以有较大的室内空间等特点。填充墙采用轻质隔墙可以减轻结构自重，但是框架柱内凸会影响户型的实际使用面积，并影响家具的布置，有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。《高规》在第4.8.2条中规定，对高度大干30.0m的框架结构建筑，在抗震为6度设防的地区，抗震等级为三级，sATwE程序计算结果为：在水平荷载(风荷载及地震荷载)作用下，水平位移与层间位移比为最大(1／1200)；由于框架柱作为唯一的抗水平力构件，轴压比限值为0.90，故框架柱截面尺寸较大。并且由于建筑的造形或使用的要求，会形成框架的一端位于柱上、另一端位于梁上的现象，或几根框架柱不在同一条轴线上，形成单跨框架现象，从而成为抗震的薄弱环节。在需要考虑到抗震设防要求的结构设计中，由于框架粱柱截面比较小，剐度比较低，抗震性能又差，如果采用砌体填充墙，在地震中会损坏严重并且修复费用高，所以对高层结构不宜采用。

2.2异型柱框架结构

这种结构形式派生于框架结构形式，具有框架结构的特点，此外，它与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。据《混凝土异型柱结构技术规程~JGJ1492006第3.1.2条规定：抗震设防为6度时，异型柱结构适用于高度为24m以下的房屋。由于异型柱在受力性能方面(比如受剪承载力、节点承载力以及延性等)比普通矩形柱差，它无法满足比较高的建筑物在抗侧力以及轴力等方面的要求。所以，相对来说异型柱框架结构在抗震性能方面是最差的一种结构形式。但由于能够解决住宅室内无柱角的问题，在多层中还是有比较好的应用市场。

2.3普通剪力墙结构

普通剪力墙结构一般用于高层住宅的结构设计，尤其是在30层左右的高层结构中广泛应用。这种结构形式的特点是根据建筑平面布局来设置钢筋砼墙，使用剪力墙以解决建筑平面的使用问题。它的优点是整体刚度大，抗震性能好，水平位移小，居住舒适。剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，否则对结构受力及抗震均不利。若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费；但如果刚度太小，结构变形太大，则会影响建筑物的使用。对于小高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。

2.4框架剪力墙结构

在近几年的高层结构设计中，框架剪力墙结构形式应用比较广泛。这种结构形式既具备框架结构布置灵活的优点，又具备较好的抗震性能，缺点是其框架柱的内凸也会影响到户型的使用面积及家具的布置。在这种结构形式中，由于框架柱主要承受竖向荷载，轴压比限值较框架结构有所放宽，但是考虑到框架柱的构造要求，若在实际计算中轴压比大于0．90，柱配筋则可能比较大，所以与框架结构一样存在上述的建筑使用问题。

2.5异型柱框架剪力墙结构

这种结构形式派生于框架剪力墙结构形式，与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。在抗震方面，异型柱主要承受竖向荷载，水平位移及层间位移大大减小，但是异形柱的肢长较短，所以当建筑物较高时，异形柱无法满足轴力和抗侧力的要求。以抗震为6度设防的地区为例，建筑物高于18.0m抗震等级即为三级，框架剪力墙结构的总高度要小于45.0米，柱中距要小于7.20米，这点比框架结构的60.0米上限的要求严格。

2.6短肢剪力墙结构

这种结构形式的特点是根据建筑物平面布置的要求而在其凹凸转角处布置各种形式的短墙肢，主要有“一型、Y型、+型、T型、Z型、Y型”等各种形式。在使用这种结构形式时，结构布置极其灵活，可以将管道井、电梯间和楼梯间等部位四个侧面的剪力墙均布置短肢剪力墙，也可以根据需要布置一些长肢墙，所以基本上能满足建筑物的使用布置和竖向受力要求。不过由于短肢剪力墙在抗震性能方面较弱，而且在地震区应用的经验也不多，所以为了安全起见，在抗震方面，对这种结构设计的使用范围、抗震等级、最大适用高度、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率等方面都有较严格的规定限制。目前的短肢剪力墙体系小高层建筑由于考虑埋置深度的要求，一般均设置地下室，基础则采用桩筏基础，对桩基础进行合理选型，将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。

3小高层结构设计的总体指标控制

3.1总体信息的设置与控制。

电算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中。总体信息的设置对这几组电算限值的影响是十分明显的。因此，合理设置总体信息的数值，才能正确地判别结构体系及构件截面尺寸是否可行。譬如说建筑物刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，就会造成不必要的材料浪费；但刚度太小，结构变形太大，又会影响建筑物的使用。这里以小高层住宅常用的剪力墙结构设计为例，有以下几组数值值得注意：

（1）抗震设计时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于 15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的 9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的 90%。

（2）计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减，当非承重墙体为填充砖墙时，剪力墙结构可取 0.9 ～ 1.0，框架剪力墙结构可取 0.7 ～ 0.8。

（3）在内力与位移计算中，抗震设计的框架剪力墙结构和剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，节减系数不宜小于 0.5。

（4）楼层层间最大位移与层高之比的限值 u/h 不宜小于1/1000 且第一自振周期为平动周期，周期大小约为层数的 0.06～ 0.08 倍之间。

3.2 高层结构的平面及竖向布置。

在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单，规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。

（1） 结构平面布置应减小扭转的影响，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移是A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2 倍，不应大于该楼层平均值的 1.5 倍。

（2） 当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的 30%；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于 5m，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于 2m。

（3）高层建筑结构伸缩缝的最大间距现浇框架结构为 55m，现浇剪力墙结构为 45m。

（4）抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的 80%。

3.3 高层建筑的基础设计。

高层建筑的基础设计，应综合考虑建筑场地的地质状况、上部结构的类型、施工条件、使用要求，确保建筑物不致发生过量的沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求。还应注意与相邻建筑物的影响，避免因基坑降水而影响邻近建筑物、构筑物、地下设施等的正常使用与安全。常用的高层建筑基础类型有筏形基础，箱形基础，桩基础等。笔者所在地区的浅层土体承载力较低，持力层埋深一般大于 25m，较多选用预应力钢筋混凝土预制桩基础。桩基承台可选用：柱下单独承台、双向交叉梁、筏板承台、箱型承台。目前的剪力墙体系小高层由于考虑埋置深度的要求，一般均设置地下室。基础则采用桩筏基础。如何对桩进行合理选型，将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。

3.4 剪力墙结构的设计。

抗震设计的剪力墙结构中，剪力墙应沿主轴或其他方向双向布置，避免单向有墙的结构布置形式。剪力墙布置必须均匀合理，自下到上连续布置，避免刚度突变，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且X，Y两向刚重比接近。

（1）在结构布置上应避免一字形剪力墙和短肢剪力墙，若出现则尽量布置成长墙（h/w>8）。短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为 5 ～ 8 的剪力墙，一般的剪力墙是指墙肢截面高厚比大于 8 的剪力墙。短肢墙的厚度不应小于 200mm，7、8 度抗震设计时，宜设置翼缘。

（2）剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可，即一、二、三级抗震设计时均不应小于0.25%，四级抗震设计和非抗震设计时不应小于 0.20%，双排钢筋之间采用φ6@600 600 拉筋。

（3） 一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应按《高层建筑混凝土结构技术规程》第 7.2.16 条设置约束边缘构件；其余剪力墙应按第 7.2.17 条设置构造边缘构件即可。由于规范中已有十分详细的规定，这里不再重复了。

4结语

结构设计过程中进行合理的结构选型和布置对整个建筑工程是否能保证安全、经济、适用都非常重要，一定要对整个结构体系的承载能力、抗震性能、内力传递、刚度、侧移要求等掌握透彻，才能实现结构设计安全性、合理性、经济性的整体最优实现。基于对框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构等各种结构体系特点进行的分析，各种结构类型相对均有优点和缺点，相关结构设计人员应综合考虑待建结构的使用功能要求、建筑物所处地区的抗震设防要求、以及场地地质条件、造价要求等，在满足国家相关规范和要求的前提下，选择合适的结构体系。