高层住宅结构选型

第 40 卷 第 4 期 建 　筑 　结 　构 2010 年 4 月 高层住宅结构选型和优化设计 谭方兰 (广西华蓝设计 (集团)有限公司 ,南宁 530011) [摘要 ] 　高层住宅的结构选型对其用钢量有直接影响。25～33 层 (高度接近 100m)的高层住宅 ,采用剪力墙结构体 系比采用框架2剪力墙结构体系的用钢量低 ,且抗震性能比后者的更好。应对剪力墙进行合理布置及优化设计 ,优 化设计后 ,结构安全度不应降低 ,剪力墙具有更好的延性和抗震耗能能力 ,且用钢量较低。采用相关的设计实例进 行说明 ,对高层住宅设计具有广泛的适用性和现实指导意义。 [关键词 ] 　高层住宅 ; 结构选型 ; 优化设计 ; 抗震性能 Structural system selection and optimization design of high2rise residential buildings Tan Fanglan ( Guangxi Hualan Design & Consult Group ,Nanning 530011 ,China) Abstract :The structural system selection of the high2rise residential building will directly influence the consumption per square meter of reinforcement. The high2rise residential building of 25～33 layers(about 100m in height) ,which the shear wall structural system is applied to , will more easily obtain lower consumption per square meter of reinforcement than the building which the frame2shear wall structural system is applied to , while the shear wall structures show better earthquake2resistant behaviors than the frame2shear wall structures. The shear walls must be laid out rationally ,and must be made optimization design. Optimization design shall not reduce the degree of structural safety. The shear wall which has been made optimization design will show better ductilitis , better earthquake resistant behaviors ,and lower consumption per square meter of reinforcement. The engineering practice presented have extensive applicability and practical significance to the design of high2rise residential buildings. Keywords :high2rise residential building ; structural system selection ; optimization design ; earthquake2resistant behavior 作者简介 :谭方兰 ,学士 ,高级工程师 ,一级注册结构工程师 ,Email :t2 f2l @163. com。 　　选取已建的四个 25～33 层 (高度接近 100m) 的典 型高层住宅设计实例 ,分别阐述其结构选型及设计要 点、优化设计措施、用钢量和适用性 ,对其抗震性能和 用钢量进行对比。 1 　 设计实例 1 某高层住宅小区 ,位于 6 度区 ,2003 年设计 ,6 栋 30 层的高层住宅主楼 ,建筑高度均为 9310m。地下层 1 为连通汽车库及设备用房的人防地下室大底盘 ;6 栋 主楼地面以上首层层高 418m ,为架空开敞的阳光花 房 ;层 2～30 层高 310m ,为住宅。 要求用钢量 ( ±0100 以上) 控制在 80～85kgΠm2 之 间 ,并要求主楼首层的阳光花房完全开敞 ,除中部楼、 电梯井筒外 ,不允许在阳光花房内部和周边设置落地 的钢筋混凝土剪力墙。主楼 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 层结构平面见图 1。 111 结构体系及设计要点 受首层建筑功能与用钢量的制约 ,主楼落地剪力 墙只能集中布置于结构中部的楼、电梯井部位 ,其他部 位只能设框架柱 ,形成图1所示框架2剪力墙结构体系。 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(J GJ3 — 2002) [1 ] (简称高规) 的要求 ,为保证框架2剪力墙结构 体系在基本振型地震作用下 ,框架柱承受的倾覆力矩 图 1 　实例 1 主楼标准层结构布置图 　 不大于结构总倾覆力矩的 50 % ,必须通过增大剪力墙 的刚度来增大其倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分 比 ;但在结构周边、拐角等能有效发挥剪力墙抗侧和抗 85 扭刚度的部位均无法设置落地剪力墙。因此 ,只能采取 增加剪力墙墙厚的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 来增大其刚度 :整体计算中楼、 电梯井剪力墙的厚度增至 400mm (电梯井内隔墙厚 200mm) 时 ,框架柱承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩 百分比可降至 49187 %( X 向地震) ,38129 %( Y 向地震) , 满足高规要求。框架柱及剪力墙抗震等级均为三级。 整体计算的结构振动特性及抗震性能的指标见表 1 ,2。地震作用下最大层间位移角为 1Π2 018 ( X 向) ,1Π 2 437( Y 向) ,均小于高规的限值 1Π800。 建筑平面呈不规则的细腰形 ,中部楼、电梯井楼板 最窄处仅 1214m(包括楼、电梯洞口宽度 410m) ,按《建 筑抗震设计规范》( GB50011 —2001) [2 ] (简称抗震规范) 应判定为“平面一般不规则”结构。因此 ,应严格控制结 构的竖向及其他平面不规则指标 ,避免成为复杂超限 高层结构[3 ] 。楼、电梯井周围是整个楼面刚度最薄弱 的部位 ,均设置了局部 150mm 厚楼板及双层双向拉通 配筋予以加强。 实例 1～4 结构振动特性指标 表 1 实例 (结构型式) 振型号 周期Πs 转角Π° 平动系数 扭转系数 TtΠT1 1 31275 6 176117 1100 0100 实例 1 (框2剪) 2 21894 0 125128 0101 0199 01884 3 21814 5 86101 1100 0100 1 31053 0 173148 1100 0100 实例 2 (框2剪) 2 21605 6 83140 0199 0101 01747 3 21280 0 99120 0101 0199 1 31021 1 7150 0198 0102 实例 3 (纯剪) 2 21768 9 160117 0199 0101 01815 3 21463 3 92167 0173 0127 1 21466 0 58188 0194 0106 实例 4 (纯剪) 2 21406 8 144121 0193 0107 01692 3 11707 3 170184 0116 0184 　　注 :表中的转角是指结构考虑扭转耦联时的振动转角。 实例 1～4 结构抗震性能指标 表 2 实例 最大层间位移角[θ] 及底部楼层位移角 扭转位移比ξ= UmaxΠU 及底部楼层扭转位移比 X 向 Y 向 X 向 Y 向 实例 1 1Π2 018 (12)1Π3 490 (2) 1Π2 437 (18)1Π5 337 (2) 1116 (12)1116 (2) 1120 (18)1144 (2) 实例 2 1Π2 063 (15)1Π5 350 (2) 1Π2 325 (27)1Π9 172 (2) 1110 (15)1111 (2) 1125 (27)1123 (2) 实例 3 1Π2 233 (17)1Π7 324 (2) 1Π2 839 (21)1Π9 999 (2) 1123 (17)1116 (2) 1130 (21)1135 (2) 实例 4 1Π2 958 (14)1Π8 200 (2) 1Π2 568 (19)1Π9 999 (2) 1126 (14)1120 (2) 1123 (19)1124 (2) 　　注 :括号内的数值为楼层号。扭转位移比是指考虑偶然偏心影 响的地震作用下结构最大层间位移与平均层间位移的比值。 112 优化设计措施 (1) 减轻荷载 :外墙及分户墙采用 190mm厚混凝土 空心砌块墙 ,内墙采用 90mm 厚混凝土空心砌块墙 ;控 制楼面装修荷载 ;控制楼板厚度 ,减轻自重。 (2) 减小柱截面 :底部框架柱和剪力墙采用 C55 混 凝土 ,向上依次降低 :C45 (层 8～19) →C35 (层 19～28) →C25(层 28 以上) ;控制轴压比 ,减小底层柱截面尺寸 (底层柱截面尺寸最小为 600 ×800 , 最大为 800 × 1 200) ,并向上依次减小方柱截面尺寸 :600 ×600 (层 17 ～27) →500 ×500(层 27～29) →400 ×400 (层 29 以上) , 减少短柱加密箍柱段。 (3) 采用新Ⅲ级钢 :控制梁截面不大于 200 ×700 , 梁纵筋均采用新 Ⅲ级钢 ( f y = 360kNΠm2 ,强度较 Ⅱ级钢 提高 20 %) ,减少梁钢筋用量。 (4) 对阳台栏杆、女儿墙均采用砌块砌筑 ,用压顶 梁及构造柱与主体结构拉结 ,尽量减少次要构件的钢 筋用量。 113 用钢量 设计预期用钢量 ( ±0100 以上) 为 80～85kgΠm2 ,实 际结算后的用钢量 ( ±0100 以上) 为 83117kgΠm2 ,满足 要求。 114 适用性 位于繁华商业区、具有较高商业价值的高层商住 楼盘 ,要求底部用房完全开敞、楼电梯井筒位于结构中 部、预期用钢量 ( ±0100 以上) 为 80～85kgΠm2 时 ,可选 择采用实例 1 的框架2剪力墙结构体系 (2007 年 ,在南 宁市火车站商业中心黄金地段高层商住楼盘的结构选 型中 ,考虑开发商对底部商铺完全开敞的严格要求 ,再 次采用了此类型的框架2剪力墙结构) 。 2 　 设计实例 2 某高层住宅楼盘 ,位于 6 度区 ,2007 年设计 ,2 栋 33 层的高层住宅主楼 ,建筑高度均为 10012m。地下层 1 为连通汽车库及设备用房的人防地下室 ;主楼地面 以上首层层高 316m ,为商铺 ;层 2～33 层高 310m ,为住 宅。 要求控制用钢量 ( ±0100 以上) 小于 70kgΠm2 ,允许 首层商铺内部、结构周边、拐角设置一些落地的钢筋混 凝土剪力墙 ,地下层 1 车库的双车环道不穿过高层主 楼底部。主楼标准层结构平面见图 2。 211 结构体系及设计要点 在满足地下车库和首层商铺功能的前提下 ,遵循 对称、均匀、周边、拐角的原则 ,在结构内部、周边、拐角 等部位对落地剪力墙进行了较合理布置 ,形成图 2 所 示框架2剪力墙结构体系。主体结构抗震等级为三级。 由于剪力墙的大开间周边布置 ,有效发挥了其抗 侧和抗扭刚度 ,当底部剪力墙的厚度为 250mm(层 5 以 上减至 200mm) 时 ,整体计算底部框架柱承受的倾覆力 矩占结构总倾覆力矩的百分比即可降至 34143 %( X 向 95 图 2 　实例 2 主楼标准层结构布置图 　 地震) ,11192 %( Y 向地震) 。层 1～6 框架柱及剪力墙 采用 C55 混凝土 ,向上依次降低 :C50 (层 6～11) →C45 (层 11～19) →C35(层 19～29) →C25(层 29 以上) ;控制 框架柱 (中柱) 轴压比 ,减小底层柱截面尺寸 (底层柱截 面尺寸最小为 600 ×600 ,最大为 800 ×800) ,并向上依 次减小方柱截面尺寸 :600 ×600(层 9～26) →500 ×500、 450 ×450(层 26 以上) ,减少短柱加密箍柱段。 整体计算结构的振动特性及抗震性能的指标见表 1 ,2。地震作用下最大层间位移角为 1Π2 063 ( X 向) ,1Π 2 325( Y 向) ,均小于高规的限值 1Π800。 建筑平面呈细腰形 ,按抗震规范应判定为“平面一 般不规则”结构。因此 ,应严格控制结构的竖向及其他 平面不规则指标 ,避免成为复杂超限高层结构[3 ] 。对 楼面刚度最薄弱部位的楼、电梯井“细腰”周围均设置 了局部 120mm厚楼板 ,双层双向拉通配筋予以加强。 212 优化设计措施 (1) 剪力墙的延性设计[4 ] :弱化剪力墙和连梁刚 度 ,控制剪力墙的墙肢长度∶墙厚 = 10∶1 左右 ,把长墙 分割成开洞 (结构洞或门窗洞) 联肢墙 ,洞顶设置跨高 比≥5 的弱连梁 ,结构洞及窗台用砌块填砌。弱化后 的剪力墙及连梁具有较轻的自重、更大的延性和抗震 耗能能力 ,钢筋用量也较少。 (2) 为进一步控制用钢量 ,采取了减轻填充墙荷 载、梁纵筋采用新Ⅲ级钢、采用砌块砌筑阳台栏杆和女 儿墙、减少次要构件钢筋用量等优化设计措施。 (3) 控制轴压比以减小柱截面、减少短柱柱段。 213 用钢量 预期用钢量 ( ±0100 以上) 为 60～65kgΠm2 ,实际结 算后的用钢量 ( ±0100 以上) 为 57199kgΠm2 ,较满意。 214 适用性 允许工程底部商铺或车库内部、周边、拐角设置一 定数量落地剪力墙、地下车库的双车环道不穿过高层 主楼底部、预期用钢量 ( ±0100 以上) 为 60～70kgΠm2 的 高层商住楼盘 ,可选择采用实例 2 的框架2剪力墙结构 体系 ,并应对剪力墙进行合理布置及延性设计 ,在不降 低结构安全度的前提下减少剪力墙的钢筋用量。 3 　 设计实例 3 某高层住宅楼盘 ,位于 6 度区 ,2006 年设计 ,2 栋 32 层的高层住宅主楼 ,建筑高度均为 9316m。地下层 1 ,2 为连通汽车库及设备用房的人防地下室 ;主楼地 面以上层 1～32 层高 219m ,均为住宅。 要求控制用钢量 ( ±0100 以上) 不大于 60kgΠm2 。 经协商 ,2 栋高层住宅主楼均采用钢筋混凝土剪力墙 结构。由于地下层 1 ,2 地下车库的双车环道均穿过高 层主楼底部 ,少量剪力墙的墙肢长度受到了限制。主 楼地下层 1 剪力墙平面见图 3。 图 3 　实例 3 主楼地下层 1 剪力墙平面图 　 311 结构体系及设计要点 在满足地下车库双车环道功能的前提下 ,对落地 剪力墙尽量进行大开间布置 ,形成了图 4 所示的剪力 墙结构体系。首层以上剪力墙厚 200mm ,结构抗震等 级为三级。 整体计算的结构振动特性及抗震性能的指标见表 1 ,2。地震作用下最大层间位移角为1Π2 233 ( X 向) , 1Π2 839( Y 向) ,均小于高规的限值1Π1 000。 建筑平面呈细腰形 ,按抗震规范应判定为“平面一 般不规则”结构 (占有两项平面不规则指标) ,因此应 严格控制结构的竖向不规则指标 ,避免其成为复杂超 限高层结构[3 ] 。对楼面刚度最薄弱部位的楼、电梯井 “细腰”周围均设置了局部 120mm 厚楼板 ,双层双向拉 通配筋予以加强 ;对少量墙肢长度受到限制的短肢剪 力墙 (墙肢长度∶墙厚 < 8∶1) 按规范要求予以加强。 312 优化设计措施 剪力墙的延性设计及用钢量控制措施同实例 2。 06 图 4 　实例 3 主楼标准层结构布置图 　 313 用钢量 预期用钢量 ( ±0100 以上) 为 50～60kgΠm2 ,实际结 算后的用钢量 ( ±0100 以上) 为 49103kgΠm2 ,较满意。 314 适用性 建筑功能以住宅为主、地下车库的双车环道穿过 高层主楼底部、预期用钢量 ( ±0100 以上) 50～60kgΠm2 的高层住宅楼盘 ,可选择采用实例 3 的剪力墙结构体 系 ,并应对剪力墙进行合理布置及延性设计 ,可使剪力 墙的用钢量更省。 4 　 设计实例 4 某高层住宅楼盘 ,位于 6 度区 ,2006 年设计 ,4 栋 25 层的高层住宅主楼 ,建筑高度均为 7612m。地下层 1 为连通汽车库及设备用房的人防地下室 ;主楼地面以 上首层层高 313m ,为停放汽车及小型车辆的车库 ;层 2 ～25 层高 310m ,为住宅。 要求控制用钢量 ( ±0100 以上) 不大于 50kgΠm2 ,经 协商 ,4 栋高层住宅主楼均采用钢筋混凝土剪力墙结 构。地下车库的双车环道不穿过高层主楼底部 ,地下 主楼内部开间作为设备用房及停车位 ,所有剪力墙均 直接落地。主楼标准层结构平面见图 5。 411 结构体系及设计要点 建筑高宽比为 7612Π10 = 7162 (不含楼梯间及悬挑 阳台宽度) ,大于高规要求的 6 度区 A 级高度剪力墙结 构高宽比限值 6 ,表明结构宽度方向的刚度较薄弱 ,采 用剪力墙结构体系是十分必要的 (图 5) 。因此 ,剪力 墙的布置应注意增强结构宽度方向的抗侧刚度 ,整体 计算应注意结构宽度方向的刚度、位移、稳定性等指标 满足高规的要求。剪力墙基本按开间布置 ,两个电梯 井中部的隔墙采用砌块填充墙。剪力墙厚 200mm ,建 筑高度 < 80m ,抗震等级为四级。 整体计算的结构振动特性及抗震性能的指标见表 1 ,2。地震作用下最大层间位移角为 1Π2 958 ( X 向) ,1Π 2 568( Y 向) ,均小于高规的限值 1Π1 000。 412 优化设计措施 剪力墙的延性设计及用钢量控制措施与实例 2 的 相同。对最小配筋率控制且跨度 ≤214m 的楼板一律 取 80mm厚 (卫生间及其他未注明板厚 100mm) ,减少楼 板钢筋用量 (注意水电工种预埋管径须控制在 25mm 以内 ,不得交叠放置) 。 413 用钢量 预期用钢量 ( ±0100 以上) 为 40～50kgΠm2 ,实际结 算后的用钢量 ( ±0100 以上) 为 35142kgΠm2 ,很满意。 414 适用性 建筑功能以住宅为主、建筑平面较规则对称、地下 车库的双车环道不穿过高层主楼底部、预期用钢量 ( ± 0100 以上) 为 40～50kgΠm2 的高层住宅楼盘 ,可选择采 用实例 4 的剪力墙结构体系 ,并应对剪力墙进行合理 布置及延性设计 ,可明显减少剪力墙的用钢量。 图 5 　实例 4 主楼标准层结构布置图 　 5 　 实例 1～4 结构抗震性能和用钢量对比 从第 1 扭转周期与第 1 平动周期的比值 TtΠT1 可 判断整个结构抗扭刚度的强弱。表 1 中 TtΠT1 由小到 大依次为 :实例 4 ,2 ,3 ,1 ,表明整个结构的抗扭刚度由 弱到强依次为 :实例 1 ,3 ,2 ,4。 整体计算考虑偶然偏心影响的地震作用下 ,实例 1～4 楼层的最大层间位移角和最大扭转位移比见表 2。根据文[5 ]要求 ,对于扭转不规则的高层结构 ,随着 扭转变形不规则指标突破程度的增大 ,扭转不利效应 有所增大 ,地震作用下层间最大水平位移角限值须随 之适当加严 ,以减小地震扭转不规则带来的不利影响 , 保证结构具备相适应的抗震性能 ,如表 3 所示。对比 表 2 ,3 可判断扭转不规则对实例 1～4 高层结构的抗 震性能影响的严重程度由小到大依次为 :实例 4 ,3 ,2 , 1。对比表 2 ,3 亦可看出 :实例 1～4 的最大层间位移 角还有放宽限值的余地 (上部楼层为限值的1Π215～ 16 1Π219 ,底部楼层为限值的1Π413～1Π919) ,特别是实例 2 ～4 的底部楼层 ,最大层间位移角为限值的1Π616～ 1Π919 ,剪力墙还可进一步优化。 实例 1～4 的用钢量 ( ±0100 以上) 由小到大依次 为 :实例 4 ,3 ,2 ,1。 不同扭转位移比时小震下最大水平层间位移角 表 3 扭转位移比ξ= UmaxΠU 112 113 114 115 116 117 118 小震下最大水平层间 位移角[θ]Π[θ0 ] 1Π1 1Π1124 1Π1155 1Π2 1Π2167 1Π3178 1Π6 　　注 :表中[θ0 ]为现行高规对各类结构小震作用下层间水平位移 角限值[5 ] ,对框2剪结构和剪力墙结构分别为 1Π800 和 1Π1 000。 6 　 结论 (1) 在满足建筑功能又不降低结构安全度的前提 下 ,根据预期用钢量对高层住宅进行恰当的结构选型 是非常重要的 ,也是非常必要的 ,设计优化的余地很 大 ,效果也很显著。 (2) 对于 25～33 层 (高度接近 100m) 的高层住宅 , 采用剪力墙结构体系比框架2剪力墙结构体系的抗震 性能更好 ;在各国的历次地震震害中 ,剪力墙结构的震 害很少发生[6 ] 。实践表明 ,采用剪力墙结构体系的用 钢量较低。剪力墙应遵循对称、均匀、周边、拐角等原 则进行合理布置。剪力墙及连梁应进行优化延性设 计[4 ] ;对于 25～33 层 (高度接近 100m) 的高层住宅 ,剪 力墙的墙肢长度∶墙厚 = 8∶1～10∶1 左右即可 ,长墙应 设计成开洞 (结构洞或门窗洞) 的联肢墙 ,洞顶应设置 弱连梁 (跨高比≥5 的连梁) 。延性剪力墙具有更轻的 自重、更好的延性和更强的抗震耗能能力 ;剪力墙数量 越多 ,延性设计的效果越明显 ;对于剪力墙结构 ,延性 设计的经济效益尤为显著。 (3) 对于扭转不规则的高层结构 ,应重视调整结构 布置 ,随着扭转变形不规则指标突破程度的增大 ,地震 作用下层间最大水平位移角限值应按表 3 适当加严 , 以减小扭转不规则的不利影响 ,保证结构具备相应的 抗震性能。 (4) 优化设计应重视与业主、建筑及其他工种配 合 ,如剪力墙的设置位置、框架梁柱的结构布置、是否 采用轻质建筑墙体材料和轻质隔断、减薄填充墙和剪 力墙厚度、与水电工种配合减小板厚、与建筑工种配合 减小梁柱截面 (如应配合立面减小外柱截面) 等 ;应重 视非结构构件的优化设计 ,对建筑飘窗、栏杆、女儿墙、 窗台、构造柱、挑檐、反边、结构洞、建筑装饰等细部的 设计不必全部采用钢筋混凝土 ,可采用砌块砌筑 ,利用 锚拉筋、压顶梁及构造柱与主体结构拉结 ,在保证非结 构构件的稳定性、不影响主体结构安全度的前提下 ,进 一步减少非结构构件的钢筋用量。 参 考 文 献 [1 ] J GJ3 —2002 高层建筑混凝土结构技术规程 [ S] . 北京 :中国建筑 工业出版社 ,2002. 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