关于高层住宅结构设计的研究

郑全楼

摘要:目前，很多地方的高层建筑已经成为当地的地标性建筑。高层建筑的发展提高了城市的土地利用率，增加了人们的活动空间，促进了城市更好地发展。但是，我们也必须深刻的认识到，无论技术多成熟，对建筑设计质量的要求不能放松。本文作者首先分析了高层建筑结构设计的要点，其次结合具体的高层住宅结构工程，简要探讨结构设计的思路，并对转换层的处理进行了分析。

关键词:高层住宅；结构设计；结构计算

中图分类号：TU241文献标识码： A

前言

高层建筑的出现是科技发展、社会进步、建筑行业提升的重要标志。当前，国家和城市发展越迅速，高层建筑的数量和层次就越高，已经逐渐成为一种社会和行业发展的趋势。在这样的趋势下，高层建筑结构设计工作就显得尤为重要。下文主要结合实例分析高层住宅结构设计。

一、高层结构设计的要点

与多层建筑相比，高层建筑的技术难度更大。目前，我国的很多高层建筑存在体形不规则、抗震防风措施不完善、结构布局不合理等问题，因此，探讨高层建筑的结构设计改良显得更为重要。

1.结构形式。现在的高层建筑设计，通常采用钢结构和钢筋混凝土结构两种形式。钢筋混凝土结构造价较低，材料来源丰富，能浇注成各种复杂断面形状，可组成多种结构体系，耐久性好，防火性高。如果通过合理设计，其负载型也很高，抗震性能较好。但它也有构件断面大、自重大等缺点。钢结构具有强度高，韧性大，结构断面小，自重轻，抗震性能好的优点。而且钢结构构件可在工厂加工，从而有效的缩短现场施工工期。但它也有缺点，如构件用钢量大，造价很高，而且钢结构防火性能差，需要用大量防火涂料，增加了成本和施工周期。相比较而言，在西方国家，钢结构在高层建筑上的应用率更高。而在我国，钢筋混凝土结构及混合结构占了主导。

2.荷载和高度。建筑高度越高，其相应的防震、防风等安全性要求就越高。建筑设计的首要前提就是要保证建筑的安全性。相对于多层建筑，在高层建筑中的设计中，水平荷载力发挥的作用更大。高层建筑自身所产生的重量产生的内力只与其高度的一次方成正比，而由其水平荷载力对结构产生的力量，与建筑高度的两次方成正比。其中水平荷载力主要包含地震及风荷载作用，荷载力的大小与结构的动力性质有关，是高层设计中必须注意的事情。尤其是在地震中，水平荷载力对建筑产生的力量远远大于垂直荷载力产生的力量，因此，越高的建筑，对荷载力的计算就越要精确，从而保证安全。

高层建筑的抗震规范对建筑结构的总体高度有严格规定，尤其在新规范中对超高问题较为重视，除了将原有对高度的限制设为A级高度的建筑外，还增加了对B级高度建筑的规定，所以在具体的结构设计中必须对建筑超高问题加以注意，一旦建筑高度超过了规定的等级，必须对相应的设计进行调整。如果忽略这个问题，一方面可能导致图纸的审核不过，另外也会给建筑施工带来不安全的隐患。

二、高层住宅结构的现状

城市化进程的不断加快，造成城市的住房紧张，房价一路高升，迫使住宅由多层向高层发展，出现了钢筋混凝土框架结构的高层住宅。高层住宅建设经过几十年的快速发展，研制出了高强度的建筑材料，完善了抗震结构体系，创立了新的设计理论，尤其是计算机在结构设计中的应用，为高层建筑的安全设计提供了有力支持。在高层住宅的建设过程中，逐渐形成了框架剪力墙结构或框架简体结构和巨型结构。钢则是这种结构理想的建设材料，因为钢结构具有强度高、抗震性好的优点。但是全钢的结构造价高、耐火性差，这样造价低、承载力强、材料丰富的钢筋混凝土结构便应运而生，加之合理的结构设计，增强了建筑的抗震性能。当然，钢筋混凝土结构也存在着自重大、构件断面尺度大的问题。因此需根据钢和混凝土的特点，设计出更好的结构形式，以获得合理的经济效益和精良的技术。

三、工程概况介绍

本工程为某市一高层住宅结构工程。本工程地上部分为26层，1层为架空层和局部会所，而2层到25均为住宅，其中7层到17层，以及13层到16层为联体结构。地下部分为1层，作为停车场。本工程建筑总高度为76.8m。

四、结构设计

1.高宽比较大的结构布置

由于本工程进深较小，宽度大，在设计中会遇到高宽比较大的问题。本工程的高宽比为76.8/10.7 =7.18，而规范的推荐值仅为5，相差较大。在结构设计中，高宽比涉及到结构整体刚度、抗倾覆能力、整体稳定等指标，通过高宽比可以对这种参数进行间接的控制。为了解决高宽比的问题，一个直接的办法是加大剪力墙沿Y方向的距离。在本工程采取的措施为将外伸部分的楼梯间设置为剪力墙，与中部的电梯井筒形成一个较大的筒体，在电梯侧紧挨着厨房，将其设置成高连梁，同时在结构的两段设剪力墙，这样可以达到提高承载力的目的。在进行结构水平剪力墙设计时，应尽量将其布置成高连梁的形式，这样在建筑物的外围就会形成剪力墙大筒体的形式，这种大筒体的形式具有较好的抗侧刚度。通过计算结果可知，本工程的结构布置满足规范规定的整体稳定性验算要求，同时基础底面并没有出现零应力区。

2.结构底层转换

本工程中，地层为架空层，需要进行剪力墙的转换，考虑到地层的层高较大，因此决定采用梁式转换的方式。梁式转换具有受力明显等特点，同时经过广泛应用的设计理论，已经相对成熟。本工程结构底部转换选用梁式转换，同时适当增加转换层楼板的厚度，这样可以有效提高整体性。本楼只需要在局部采用梁式转换，因此只需要将转换梁附近的楼板厚度增加到180mm 即可，而其余部位的楼板依旧保持150mm的厚度，同时将本楼层的小梁取消，尽量采用大板。

由于本层仅作为架空层，因此可以在建筑的横向尽量转换墙体，在纵向上留设交通口，这样并没有对本层的使用功能造成影响。总而言之，在进行结构设计时，应尽量让更多的上部剪力墙落地，让剪力墙转换的数量尽可能少，这样可以提高工程的经济效益，同时在确保端部两侧剪力墙完整性的基础上，可以适当增加其厚度，这样可以有效提高结构的整体抗震性能。通过计算结果分析，可以知道转换层上下的刚度比＜2，满足规范规定的要求。

3.立面大开洞处转换处理

本工程在立面上进行了两次大开洞，导致结构在竖向刚度上出现突变，因此对洞口附近的剪力墙，应提高抗震等级，即按一级抗震等级进行设计。对洞口附近剪力墙的约束构件，应适当提高其配筋率，同时增大约束构件的设置范围，将其延伸至顶层。洞口的上下层板应适当地加大其厚度，板内配筋均采用双层双向配筋的方式，应将钢筋延伸一跨，这样可以有效提高连接体的刚度，从而确保荷载能够进行有效的传递。

本工程在连接体处存在平面转折，转角为15°，本工程中短肢墙采用的是T形形式，这样可以有效地对建筑的空间进行合理利用，同时又不会造成转换梁宽带过大的问题。在进行短肢墙设计时，应以尽量使短肢墙截面形心与转换梁截面中心重合为出发点，对短肢墙截面两侧的翼缘与中部的长度进行适当地调整，形心与中心的重合可以使荷载的传递更为简单。

4.转换层节点构造

在转换层处，梁柱节点的受力较为复杂且大，因此需要提高转换梁的钢筋等级，采用Ⅲ级钢进行配筋。由于受到建筑平面的限制，梁顶和梁底的钢筋需要进行弯折，因此应尽可能将主梁的钢筋拉通直锚入柱墙内。由于转换层梁高度和宽度较大，需要在梁截面的中部布置适量的抗裂筋以提高梁的抗裂性能，抗裂筋的数量与箍筋的肢数相同。由于受到建筑平面的限制，短肢墙的形心与转换中心无法重合在一起，得转换梁受到扭矩的作用，因此应采取措施提高转换梁的抗扭性能，在转换梁的两侧沿高度方向设置侧向抗扭筋，拉筋采用封闭箍筋的形式。

四、结构计算分析

1)本工程分别采用SATWE 软件和PMSAP 软件进行计算和对比分析。SATWE 软件中剪力墙采用墙元进行模拟。而在PMSAP软件分析中，能够较为准确地考虑楼板对结构整体性能的影响。本工程抗震设计基本地震加速度值为 0.15g，基本风压按100年一遇进行取值，取为 0.95kN/m2，采用转换层全楼弹性板假定、总刚分析方法。

2)框支梁的设计。在本工程中框支梁的抗震等级为二级。在本工程框支梁上存在剪力墙，因此可以考虑墙体与梁体的共同作用。通过计算对梁的主筋进行配置，同时还应满足配筋率不少于 0.4%的要求。对于靠近柱支座处的框支梁，由于受到的应力集中较大，因此通过计算表明这种部位的梁端抗剪无法满足要求，但是大部分处于支座处的框支梁其截面已位移框支柱的截面内，因此可以不用对其进行调整，保持原设计即可。

结语

综上，文章结合具体的高程住宅结构工程，以转换层结构的实际工程为例，提出了当前带转换层的结构方案布置思路，同时对其采取计算分析，提出设计建议，为同类工程提供参考借鉴。

参考文献：

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