高层住宅建筑结构设计的重点事项研究

袁见明

（湖南方圆建筑工程设计有限公司，湖南长沙 410011）

0 引言

伴随着建筑业的不断发展，越来越多的高层住宅建筑得到了建设。但就目前来看，高层住宅建筑结构设计容易出现问题，导致建筑结构安全受到了较大危险。一旦发生事故，则将引起人员伤亡，使得建筑结构设计引发了社会广泛关注。因此，还应加强高层住宅建筑结构设计重点事项分析，以便使建筑结构得到科学设计。

1 高层住宅建筑结构设计特点

在高层住宅建筑中，主要采用框架结构、剪力墙结构和框剪结构。其中，框架结构由杆件刚性连接构成，能够灵活进行空间布置。但梁柱截面较小，使得结构刚度小，侧移大，抵抗力较差，不适用于地震区。剪力墙结构则是首选结构形式，能够利用钢筋混凝土墙体对水平力、竖向力进行承载，利用剪力墙对墙体和楼板进行较好连接[1]。该种结构刚度较大，具有较强抗震能力。框剪结构是利用大剪力墙对部分框架结构进行替代，利用楼板和连梁构成结构体系，使结构整体刚度得到提升，受水平荷载作用可以产生较高承载力。实际在高层住宅建筑结构设计中，需要考虑结构延性，确保结构进入塑性阶段依然维持较强变形能力，以免建筑发生坍塌问题。结构侧移需要控制在一定限度范围内，避免水平荷载作用下结构发生过大侧移变形。由于竖向荷载基本为确定数值，风荷载、地震作用等将有所变化，水平荷载变化幅度较大，设计时应确保引发的轴力、弯矩能够与楼房高度成正比，以免结构受到过大影响[2]。而在竖向荷载过大时，结构柱将发生较大轴向变形，导致连续梁中间支座位置负弯矩变小，跨中正弯矩与端支座弯矩加大，影响结构安全性。此外，高层住宅建筑需要加强结构抗震设计，保证建筑做到小震不坏、大震不倒。

2 高层住宅工程概况及其结构设计要点

2.1 工程概况

某高层住宅项目地上35层，1~5层为商业建筑，6层为转换层，7层及以上为住宅，地下一层，建设有停车场、消防通道。建筑采用剪力墙结构体系，剪力墙直接落地。上部设置伸缩缝，净宽300mm，使地下室顶部与上部结构保持独立，左塔和右塔长分别为32.6m和56m。

2.2 结构布局分析

对建筑结构体系展开分析，可以发现存在一定不规则性，在结构布局上需要多次验算，促使结构抗扭能力得到提高。

在水平布局方面，应加强层间位置控制。利用层间位移比、位移角，能够使平面布置的不规范性得到控制，避免结构产生过大偏心力，以免引发较大扭转效应。在结构正常运转状态下，水平位移能够得到限制，保证结构具备足够强度和刚度，避免过大位移导致结构承受力受到影响。在案例中，部分楼层最大层间位移和两端层间位移比在1.2~1.4范围内，还应对刚度分布进行优化，以便使结构出现的扭转不规则问题得到改善。在边梁和边墙设计中，还应使结构对扭转刚度贡献得到增加。为满足建筑使用功能要求，建筑1~5层设计较多楼梯，将造成楼板存在大开洞，导致剪力墙刚度被削弱。为弥补结构刚度损失，需要将楼梯按照围合形式进行布置，构成筒体结构。此外，需采用150厚板对1~5层楼板刚度进行加强，在适当提高配筋率的同时，完成双层双向钢筋设置，使结构整体刚度得到提高。

从建筑竖向布局上来看，转换层结构设计将引发竖向不规则问题。采取竖向抗侧力构件不连续形式进行转换层布局，容易导致结构因不规则问题出现超限情况。因此在设计阶段需要完成抗震缝设置，也可以对楼板结构进行增设。而转换层位于6层，相对较高，需要保证转换层上、下楼板刚度达到要求，促使上、下部结构得到严格控制，达到一定刚度比要求。等效刚度比越小，说明上、下结构位移角、内力发生明显突变。而上、下结构部分等效侧刚度较为接近，能够使结构部件内部应力得到消除，使变形突变得到减少，因此设计时还应将刚度比设定为1。无法达到这一要求，可以对柱体、墙体等竖向构件强度进行调整。针对6层以上楼层，考虑到楼板较薄，需要对连接板刚度进行加强，采用150厚板的同时，完成双层钢筋配置。在建筑28层位置，需要完成局部收进，尽管幅度较小，并未引发竖向不规则问题，但容易产生位移突变。为防止高位出现薄弱层，需要设计上下剪力墙进行加强设计，使上、下层刚度比得到有效控制。

2.3 结构受力分析

在建筑结构设计中，需要对结构竖向荷载和水平荷载作用力展开分析，保证结构整体稳定。剪力墙结构受力具有一定复杂性，还要利用三维分析软件完成结构整体性能分析，确认各部分是否存在薄弱环节。采用有限元分析软件，可以对梁、柱等构件配筋展开分析，确认各部分结构能否达到使用要求。建筑采用剪力墙结构为A级，结构高宽比限值为6。从结构设计情况来看，左塔高宽比为7.88，右塔为6.8。从整体来看，工程高度比超出100m，还要利用弹性时程分析法进行分析，研究风载、地震作用等水平荷载作用下结构整体抗倾覆情况，并对结构墙、柱等竖向构件抗压力状况展开分析。通过对各部分结构最大程度破坏展开分析，能够为结构配筋优化提供依据，促使结构整体性能得到改善。

根据结构实际尺寸，需要分别建立左塔和右塔结构模型，达到基础顶面，对嵌固层侧向杆固定展开分析。针对地下室部分，需要将1-2跨并入主体，对结构进行整体分析。结合结构动力特性，按规范选择3条地震波，开展多遇地震下的动力时程分析。建筑特征周期为0.51s，结构阻尼比为0.05，地震波主分量峰值加速度为35cm/s2。采用天然地震波对建筑底层剪力分析，能够确认底部剪力墙加强结构可以达到设计性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下层刚度比能够达到设计要求。而从局部结构受力情况来看，在裙房屋面位置和局部收进位置存在刚度和位移明显变化，分别位于建筑第7层和第29层。尽管分析得到的指标符合规范要求，但还应对结构进行加强设计，以免结构发生突变问题。

2.4 结构抗震设计

为满足结构抗震设计要求，还要对地震下结构位移展开分析，利用静力弹塑性分析方法确认结构设计能否达到要求。在结构优化中，还要从结构稳定性、承载力等各方面采取措施，促使结构性能得到增强。针对结构薄弱位置，还应采取措施进行巩固，促使结构抗震能力得到提高，为人员生命财产安全提供保障。实际在抗震设计中，一般需设置多道抗震防线，完成建筑抗侧力构件合理布置，保证结构受力均匀[3]。在高层住宅建筑中，还应加强剪重比参数控制，以便对各楼层最小抗震剪力进行限制，使周期长短和结构安全得到保证。如果周期偏小，与规范限值存在一定差距，还要对竖向构件剪力进行增强，通过提高构件强度达到结构调整目标。通过合理的抗震设计，才能使建筑在地震作用下产生的破坏得到最大限度降低。

采用SATWE软件进行结构分析计算，对地震作用下建筑左、右两塔的剪力和剪重比展开分析可以发现，在X方向上，左塔剪重比为1.88%，右塔剪重比为1.46%。在Y方向上，左塔剪重比为2.08%，右塔剪重比为1.61%。根据结果可知，左塔底部剪重比较大，能够满足规范要求，右塔剪重比略小于规范要求。结合结构受力、单元位移等分析结果，可以认为两部分结构整体刚度比合理，只需要对局部剪重比不达标的楼层进行调整即可满足抗震性能设计要求。实际在结构抗震设计中，考虑到转换层位置较高，剪力墙设计需要达到一级抗震要求，设计值达到基础值的1.6倍以上。在建筑上部结构刚度得到提升的情况下，还要使剪力得到增大，确保上、下部分得到有效协调。结合建筑实际情况，在建筑上部结构设计中，还应选用轻质隔墙材料，使结构自重得到减轻，促使刚度处于合理范围。针对转换层与相邻楼板位置，还应适当增加钢筋数量，使关键位置结构性能得到提高，促使结构抗扭力强度得到增强。

3 结论

综上所述，在高层住宅建筑结构设计方面，无论采用哪种结构形式，都应保证结构整体性能可以满足建筑设计要求，在保证结构稳固、安全的基础上，为建筑建设、使用提供支持。实际在结构设计中，还要做到实现结构合理布局，加强结构受力分析和抗震设计，确保建筑在地震作用下能够保持结构整体稳定，同时减少局部破坏的发生，为建筑可持续发展提供保障。