談小高層住宅鋼筋混凝土框架結構設計策略

摘要：隨著社會經(jīng)濟的繁榮，我國小高層建筑發(fā)展迅速。設計思想也在不斷更新。結構體系日趨多樣化。小高層鋼筋混凝土框架結構越來越廣泛應用于建筑中，小高層鋼筋混凝土框架結構設計有著光明的應用前景。我國尚未形成相應的規(guī)范，還需要進行大量的研究工作。

關鍵詞：小高層住宅 鋼筋混凝土 框架結構
　　
　　
　　1 小高層鋼筋混凝土結構的住宅的基本結構形式
　　1.1 框架結構 框架結構的特點是開間大、靈活性好、抗震性能較好，造價較低，但由于柱截面大于隔墻厚度而造成柱角外凸，影響家具的布置和美觀，有時由于住宅中房間分隔的不規(guī)則性又造成柱網(wǎng)的難以布置。
　　1.2 框架一剪力墻結構 在框架結構中布置一定數(shù)量的剪力墻就組成了框架一剪力墻結構。它是小高層住宅中應用比較廣泛的一種主體結構型式。其特點是平面靈活，適用性強，結構合理，能使框架、剪力墻兩種有不同變形性能的抗側力結構很好地協(xié)同發(fā)揮作用。
　　1.3 大開間剪力墻結構 隨著時代的發(fā)展和人們生活水平的提高，原來建造的小開間剪力墻體系住宅在建筑功能上的局限性變得日益明顯。從強度方面看，小開間結構中墻體的作用不能得到充分的發(fā)揮，并且過多的剪力墻布置還會導致較大的地震力，增加工程費用，另外，由于結構自重較大，也增加了基礎的投資，因此，大開間剪力墻應運而生。承重墻的開間達到4.5m~7.5m，進深達到7.5m~1lm，室內(nèi)一般無承重的橫墻和縱墻，可以按照住戶的不同要求靈活分隔，隨著家庭的變化還可重新布置。
　　1.4 短肢剪力墻結構 短肢剪力墻（墻肢截面高度與厚度之比為5~8的剪力墻）介乎于異形框架柱和一般剪力墻之間，由于這種結構體系在建筑功能、結構形式、投資效益、節(jié)能指標等多方面效果良好，己成小高層住宅的主要結構形式。
　　
　　2 小高層住宅鋼筋混凝土結構設計的要點
　　2.1 水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結構設計的控制因素 在低層住宅中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著鋼筋混凝土結構設計;而在小高層住宅中，盡管豎向荷載仍對鋼筋混凝土結構設計產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對某一特定建筑來說，豎向荷載大體上是定值;而作為水平荷載的風荷載和地震作用，其數(shù)值是隨動力特性的不同而有較大幅度的變化。
　　2.2 軸向變形不容忽視 對于采用框架體系或框架一剪力墻體系的小高層住宅，框架中柱的軸壓應力往往大于邊柱的軸壓應力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當房屋很高時，此種差異軸向變形將會達到很大的數(shù)值，其后果相當于連續(xù)梁中間支座產(chǎn)生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負彎矩值增大。
　　2.3 側移成為鋼筋混凝土結構設計的控制指標 與低層住宅不同，結構側移己成為小高層住宅鋼筋混凝土結構設計的關鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結構的側移變形迅速增大，結構的頂點側移一般與房屋高度H的四次方成正比。在設計小高層住宅時，不僅要求結構具有足夠的強度，而且還要有足夠的抗側移剛度，使結構在水平荷載下產(chǎn)生的側移控制在一定的范圍內(nèi)。這是因為:①過大的側移會使人不舒服，影響房屋的正常使用。②過大的側移會使隔墻、圍護墻以及它們的高級飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會使電梯軌道變形而導致不能正常運行。③過大的側移會因P一△效應使結構產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至因側移與附加內(nèi)力的惡性循環(huán)導致建筑物的倒塌。
　　2.4 結構延性是鋼筋混凝土結構設計的重要指標 相對于低層住宅而言，小高層住宅更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結構在進入塑性階段后仍具有較強的變形能力，避免倒塌，特別需要在構造上采取恰當?shù)拇胧�，來保證結構具有足夠的延性。
　　3 小高層住宅鋼筋混凝土框架結構設計策略
　　3.1 優(yōu)化設計的方法 當前，在無成熟的優(yōu)化設計分析軟件的情況下，主要是應用小高層住宅結構分析軟件，采用人工分析進行調(diào)整，運用概念設計的方法對不同的結構選型和布置不斷的進行方案分析比較，以獲得比較理想的結構方案，這是在結構設計中最常用的也是最簡單的優(yōu)選或者說是優(yōu)化方法。用概念設計的方法所得的方案是較合理、經(jīng)濟的，雖其費工費時、對設計人員的素質要求較高，但這種依靠設計人員經(jīng)驗進行人工優(yōu)化的方法仍是當前所普遍采用的主要方法。對于同一小高層住宅方案，可以有許多不同的結構(包括基礎)布置方案;確定了結構布置的小高層住宅物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法;分析過程中設計參數(shù)、材料、荷載的取值也不是唯一的;小高層住宅物細部的處理更是不盡相同等等，這些問題目前計算機是無法完全解決的，都需要設計人員自己做出判斷。而判斷只能在結構設計的一般規(guī)律指導下，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗進行，這便是前面所說的概念設計。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。
　3.2 性能分析
　　3.2.1 抗震性能分析 對結構體系來說足夠的承載能力和變形能力是兩個同時需要滿足的條件。結合概念設計的理念，對上述兩種結構體系進行對比分析，電算程序可以采用中國建筑科學研究院編制的結構空間有限元分析軟件SATWE。在結構設計中，不僅要求結構具有足夠的承載能力，還要求其有適當?shù)膭偠取８邔咏Y構的使用功能和安全與其側移的大小密切相關，過大的側向變形會使隔墻、維護墻及其飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞。結構分別按考慮5%的偶然偏心和雙向地震力作用的不利情況計算出各結構體系層間位移角，剪力墻結構小于框剪結構，但均小于規(guī)范要求，且富裕量較大，說明兩種結構體系滿足剛度要求。
　　但就使用性能方面，剪力墻結構由于墻體太多，結構自重大，導致了較大的地震作用，混凝土和鋼材用量也較高;同時也增加了基礎工程的投資，而且限制了建筑上的靈活使用。而框架一剪力墻結構的特點是平面使用靈活，適用性強，結構合理，能使框架、剪力墻兩種有著不同變形性能的抗側力結構很好地協(xié)同發(fā)揮作用。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。由框架構成自由靈活的使用空間，容易滿足不同建筑功能的要求;同時剪力墻具有相當大的抗側移剛度，從而使框一剪結構具有較好的抗震能力，也大大減少了結構的側移。
　　3.2.2 經(jīng)濟性比較 我們通過對三種鋼筋混凝土住宅結構直接費的計算，發(fā)現(xiàn)三種鋼筋混凝土住宅結構單位面積直接費相差不是很多，其中短肢剪力墻結構的單位面積直接費最大，框架一剪力墻結構的單位面積直接費最小，其中短肢剪力墻結構的單位面積直接費比框架一剪力墻結構的單位面積直接費高出12.5%，比大開間剪力墻結構的單位面積直接費高出7.3%，大開間剪力墻結構的單位面積直接費比框架一剪力墻結構的單位面積直接費高出4.9%。三種鋼筋混凝土住宅結構的次要項目造價基本相同。單位面積造價框架一剪力墻結構的最小，框架一剪力

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