结合工程实例对住宅工程结构设计的论述

　　摘要:本文结合笔者在实际工作中的经验，详细论述了某住宅区工程的结构体系特点、结构概念设计、计算分析及新材料的选取, 分析和讨论部分框支剪力墙结构体系的设计, 包括其转换层的设计要点及薄弱部位的处理措施等问题。

　　关键词: 部分框支剪力墙结构,梁式转换, 5级人防地下室, HRB400级钢筋

　　一、 前言

　　框支剪力墙结构是指底层为框架柱, 上层为剪力墙的结构。底层的框架结构可使建筑平面灵活布置, 适用于商场、餐厅、会议室、活动中心等大开间的公共建筑设计;上部的剪力墙结构整体性好, 侧向刚度大, 水平位移小, 多用于住宅、旅馆等建筑设计。两者之间的楼板为转

　　换层楼板, 需采取措施增强该层的整体性及刚性, 以减小整个结构的上下刚度差异。现代化高层建筑设计趋向功能多元化, 要求居住、办公、饮食、商业一体化, 因此这种结构得到越来越广泛的应用。

　　二、 工程概况

　　该住宅区建筑面积约28.6万m2,本工程地下2层, 地面以上6栋32层的塔楼,呈弧形分布,塔楼地面以上高99.90m。首层架空, 二层为结构转换层,以上为住宅标准层, 地下室连成一体,其中A1～A4塔楼地下二层为5级人防地下室。本工程为部分框支剪力墙结构,A级高度的钢筋混凝土高层建筑，属复杂的高层建筑。

　　三、 主体结构设计

　　3.1 结构体系特点

　　⑴平面不规则: 本工程整体平面布置呈圆弧形,地面以上由6 栋32 层的塔楼组成。各塔楼平面均呈“十”字型,中部圆形的钢筋混凝土筒体为主要的抗侧力体系,伸出的各翼由几种不同的单元组合而成，与筒体连接部分较窄, 向外逐渐变宽, 属于平面不规则类型, 详见图1、图2。

　　⑵竖向不规则: 地下室及首层为框架结构, 由混凝土柱承受竖向荷载, 以上各层为剪力墙结构, 由剪力墙承受竖向荷载, 2层平面为结构转换层, 采用梁式转换,属于竖向不规则类型。

　　⑶人防地下室: A1～A4 塔楼地下二层为5级人防地下室，其顶板( 即地下一层楼板) 的等效静荷载标准值为100kPa。地下室底板则需承受地下水反压力, 根据场地的地下水位及地下室的埋深, 地下水位设防标高为- 2.50m,底板的浮力达70kPa，需采取有效的抗浮措施。

　　⑷超长混凝土结构: 弧形地下室整体相连, 长度超过400m,必须采取有效措施防止温度应力使混凝土产生开裂。

　　⑸结构转换层及塔楼中筒与各翼之间的连接均为该工程的薄弱部位, 其计算分析和处理措施是设计的关键和重点。

　　3.2 结构概念设计

　　本工程框支框架的抗震等级为一级, 剪力墙的抗震等级为二级。

　　⑴为了加强整体结构刚度, 本工程采用部分剪力墙框支、部分剪力墙落地的形式, 形成底层大空间框架-剪力墙结构。因框支剪力墙承受的剪力大部分要通过楼板传到落地剪力墙上, 故把落地剪力墙布置在各塔楼的中部, 围成圆形的筒体, 在转换层以下筒体外墙加厚为500, 内墙为300, 混凝土强度等级提高为C60, 有效地加大底层剪力墙的刚度和承载力, 使整个结构上下刚度差别减小, 也增强了整体抗扭能力。

　　⑵在转换层以下的框架结构中, 塔楼部分的柱子作为上部剪力墙的支承也相应被加强, 采用C60、截面为800×3000、φ1400 等的钢筋混凝土柱, 加大底层刚度。上部的剪力墙结构, 整体性较好, 有较强的抗侧力和抗扭能力, 但为了避免墙体自重过大, 部分剪力墙向上收窄, 厚度从300 减小为250 和200, 从而减少给底层框架结构的负担, 有利于整体结构的稳定性。

　　⑶底板承受着较大的浮力, 厚度取500, 塔楼部分,待主体结构完成6 层后, 建筑物的自重可抵消地下水反力, 裙楼部分, 则在柱下用抗拔桩( 入岩深度≥3000) 抵抗浮力。人防地下室顶板的等效静荷载标准值达100kPa, 板厚取250, 在人防设计中, 在核爆动荷载和静荷载同时作用或核爆动荷载单独作用下, 材料取动力强度设计值, 如钢筋动力强度设计值为静荷载作用下设计值的1. 2～1. 5 倍, 混凝土为1. 4 倍。

　　⑷本工程结构长度较大, 故几处设置了防震缝和后浇带。6 栋住宅塔楼在二层楼面每隔2 个塔楼用防震缝分隔, 每两个形成双塔结构。地下室整体相连, 沿地下室弧线方向每隔约50m设置一条后浇带, 将地下室分为8块段施工。控制混凝土的配合比, 减少水泥用量和用水量, 掺粉煤灰和合适的外加剂, 降低混凝土水化热, 适当增加配筋率, 防止温度应力使混凝土产生开裂。

　　⑸塔楼中筒与各翼之间的连接是整个结构的薄弱部位之一, 各标准层均为不规则平面, 结构计算采用分块刚性楼板假定。为了克服塔楼的扭转反应, 标准层采用剪力墙结构, 适当增加剪力墙数量, 增加结构的抗扭刚度; 尽量加大中筒与各翼连接楼板的宽度, 连接部分楼板加厚到150, 并在平面外围适当部位设置拉梁将各翼连成整体。

　　⑹转换层的设计是该结构设计的重点和难点。

        2 层平面是本结构的转换层, 是底层大空间与上部剪力墙之间的过渡层, 采用梁式转换, 部分落地剪力墙在该处都予以加强, 使转换层、下的侧向刚度比减小而满足规范的要求。该层楼板厚度取200, 框支梁最大截面为1400×1800, 因支承上部墙体, 框支梁承受很大的剪力,需在梁支座处加腋, 并增加梁箍筋数量, 提高抗剪和抗

　　扭能力( 图3) ; 纵向钢筋也需加强, 提高承载力; 当梁宽大于框支墙柱宽度时, 在节点区域内另加竖向拉结筋勾住梁底、面筋, 增强转换梁刚度( 图4) 。对受力较复杂的转换梁, 则进行有限元分析, 并按应力进行配筋设计校核。

　　3.2 结构计算分析

　　本工程结构分别采用中国建筑科学研究院编制《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》及《多层及高层建筑结构三维分析与设计软件TAT》进行计算。SATWE 采用空间杆件—墙元模型, TAT 采用空间杆件—空间薄壁杆模型, 分别按单塔和双塔楼考虑计算( 单塔计算周期比、位移比、刚度比; 双塔计算内力及配筋) 。SATWE 程序计算时, 塔楼各翼采用分块刚性楼板假定, 用振型分解反应谱法取两个主轴方向和45 度方向计算地震作用。考虑平扭耦连计算。计算参数的确定:

　　⑴抗震设防烈度为7 度, 场地土类别为Ⅱ类, 考虑偶然偏心, 取18 个振型。

　　⑵基本风压值ωo=0. 60kPa, 地面粗糙度为C类, 风结构位移及内力计算结果表

　　载体型系数取μs=1. 4。

　　⑶结构周期折减系数取0.85, 阻尼比为0.05。结构稳定验算满足高规要求, 并且可不考虑重力二阶效应的影响。上表为A5、A6 栋双塔结构的SATWE 位移及内力计算结果。

　　从SATWE 计算结果分析可知, 主体结构对地震作用及风荷载作用的反应是正常的, 结构自振周期、位移、地震力均控制在规范允许值范围内, 振型曲线正常, 说明本工程的结构体系是合理的, 采取的抗震措施是有效的。

　　四、 新材料

　　本工程除了沿用传统的HPB235 级和HRB335 级钢筋外, 考虑结构的复杂性、材料性能、施工技术及经济性等各种因素, 增加( 采用) 了新型钢材—HRB400 级钢筋,应用于梁柱纵筋、剪力墙主筋及地下室底板钢筋。此钢筋强度为HRB335 级钢筋的1.2倍, 减少钢筋配置数量,却可提高结构承载力, 施工方便, 既经济也实用, 现在很多复杂的高层建筑都拟用此种新型钢材。

　　五、 结束语

　　该地区住宅临江耸立, 外观豪华, 宫廷特色设计, 功能齐全, 室内布置实用美观, 处处散发着贵族气息, 是现代高尚住宅的典型。通过这个设计我深深体会到, 结构专业需配合各个建筑的设计特点, 选用最佳的结构形式, 最适合的材料, 采取最有效的措施进行设计。

　　对于特殊部位要重点计算分析, 加强稳定性及安全性,使每个建筑物都能更好地投入使用, 充分发挥其功用特点及个性魅力。