對小高層建筑結構的探討

張天池

摘 要：本文通過工程實例對目前較為普遍的小高層住宅的結構體系進行適用性、經濟性、抗震性能等幾方面的比較，并論述了各種結構型式的優缺點，對工程同行及業主在結構方案設計階段確定結構選型時，具有較高的參考價值。

關鍵詞：小高層住宅；適用性；經濟性；抗震性能

1 緒言

隨著社會經濟的飛速發展，城市化進程的進一步深入，城市居民對住房要求日益提高。但城市土地資源的稀缺勢必要求住宅向高層發展，其中小高層住宅日益成為業主及用戶的首選。

對小高層住宅的結構設計，首先擺在結構工程師面前的是結構選型的問題，到底何種結構體系在適用性、經濟性、抗震性能等幾方面為最佳呢?本文就以某小區為例，對目前普遍采用的幾種結構形式進行分析比較，以期拋磚引玉，為工程同行及業主在結構方案設計階段確定結構選型時，提供參考。

2 結構方案概述

某小區的某幢住宅，十二層，一梯兩戶兩單元，對稱結構，層高均為2.90m，建筑物總高34.80m，長34.20m，寬14.70m，每層面積490m2，總面積5880m2，抗震烈度為6度，場地土類別為三類，基本風壓：0.60kn/m，采用“多層及高層建筑結構三維分析與設計軟件”(SATWE)程序及有關規范對不同的結構方案進行計算并分析比較。

2．1 框架結構

此方案的特點是一般用于多層結構及小高層結構，適用高度范圍一般為60.0m以下(6度設防)。框架結構布置靈活，具有較大的室內空間，使用較為方便。填充墻可采用輕質隔墻，減輕結構自重。但內凸的框架柱直接影響到戶型的實際使用面積及家具布置。

2．2 異型柱框架結構

這種結構體系是框架結構的一個派生結構形式，它除了具有框架結構的特點外，與墻同寬的異型柱很好地解決了建筑平面使用問題。根據行業標準《砼異型柱結構技術規程》JGJl49－2006第3.1.2條抗震設計為6度時，異型柱結構適用的房屋最大高度為24m，本工程建筑總高為34.80m。故不宜采用異型柱框架結構。

2．3 框架剪力墻結構

這種結構體系一般用于高層結構，在近幾年的高層結構設計中應用廣泛，此方案的特點是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載。這種結構既具有框架結構布置靈活，使用方便的特點，又具有較大的剛度和較強的抗震能力。但內凸的框架柱同樣影響到戶型的實際使用面積及家具布置。

2．4 異型柱框架剪力墻結構

這種結構體系是框架剪力墻的一個派生結構形式，此方案的特點是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小。同時，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。

2．5 普通剪力墻結構

這種結構體系一般用于高層結構住宅，尤其在30層左右的高層住宅結構設計中應用廣泛。此方案的特點是根據建筑平面布局而設置鋼筋砼墻，與墻同寬的剪力墻很好地解決了建筑平面使用問題。

該總高度僅34.8m，抗震設防烈度為6度區，若采用純剪力墻結構，造價高，故不作為該工程的首選結構類型。

2．6 短肢剪力墻結構

此方案的特點是適應建筑要求而形成的特殊的剪力墻結構，根據建筑平面布置，在建筑物凹凸轉角處布置各種行式的短墻肢，主要形式有：-型、Ｙ型、＋型、Ｔ型、Z型、Y型等。因采用這種結構體系時，將中部的電梯間、樓梯間和管道井四周的剪力墻組成筒體結構，四周布置短肢剪力墻，也可根據需要布置一些長肢墻，所以結構布置極為靈活，基本上能根據建筑的要求布置豎向受力構件。

3 結構抗震性能的比較

3．1 框架結構

一般用于多層及小高層結構，即10層以下或建筑物高度H小于28.0m，對H大于30.0m的框架結構，在抗震設防烈度為6度地區，《高規》第4.8.2條規定，抗震等級為三級，SATWE程序計算結果顯示，此結構在水平荷載(風荷載及地震荷載)的作用下，水平位移及層間位移為最大(1/1200)；由于框架柱作為唯一的抗水平力構件，軸壓比限值為0.90，故框架柱截面尺寸較大，內凸的框架柱直接影響到戶型的實際使用面積及家具布置。而且，最為嚴重的是，由于建筑的平面使用或立面造形的要求，經常出現框架兩一端擱置在柱上，另一端擱置在梁上；或幾根框架柱并不在一條軸線上，往往出現單跨框架的現象，成為抗震薄弱環節。所以，在考慮抗震設防要求的結構中，由于框架梁柱截面較小，抗震性能較差，剛度較低，特別是采用砌體填充墻時，地震中填充墻損壞嚴重，修復費用很高。故對高層結構不宜采用。

3．2 異型柱框架結構

異型柱在受剪承載力、節點承載力和延性等受力性能方面比普通矩形柱差，在水平地震作用下，柱內鋼筋的粘結錨易遭受破壞，對抗震性能有不利影響。因此，鋼筋砼異型柱框架及框架抗震墻結構的房屋應在一定的高度及適用范圍內應用，而不能等同于一般的鋼筋砼結構。根據《砼異型柱結構技術規程》適用于總高度小于24m的房屋。當建筑的高度較高時，異形柱無法滿足軸力和抗側力的要求。所以，異型柱框架結構相比較而言，抗震性能為最差。

3．3 框架剪力墻結構

一般用于高層結構，在近幾年的高層結構設計中應用廣泛，此方案的特點是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，框架柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小，軸壓比限值較框架結構放寬，但考慮框架柱的構造要求，及實際計算中若軸壓比大于0.90，則柱配筋較大，所以在小柱網的住宅中，與框架結構相比，柱截面尺寸與不可能小很多，同樣存在上述建筑使用問題。

3．4 異型柱框架剪力墻結構

這種結構體系是框架剪力墻的一個派生結構形式，此方案的特點是利用樓電梯間做鋼筋砼核心筒抵抗大部分水平荷載，異型柱主要承受豎向荷載，水平位移及層間位移大大減小。同時，與墻同寬的異型柱又能更好地解決建筑平面使用問題。6度地區，框架剪力墻結構總高度不得超過45.0m，柱中距不大于7.20m。抗震等級之所以異形柱有上述的限制條件，主要是異形柱的肢長較短，當建筑的高度較高時，異形柱無法滿足軸力和抗側力的要求。在6度設防地區，建筑物高度大于18.0m抗震等級即為三級，這點較框架結構(60.0m)嚴格。

3．5 普通剪力墻結構

一般用于高層結構住宅，尤其在30層左右的高層住宅結構設計中應用廣泛。此方案的特點是根據建筑平面布局而設置鋼筋砼墻，適當部位開結構洞，以輕質填充墻代替，以減輕結構自重及工程造價，可使各墻段剛度均勻，抗震性能好，水平位移及層間位移大大減小，尤其在戶型的實際使用面積及家具布置中。

3．6 短肢剪力墻結構

由于短肢剪力墻抗震性能較差，地震區應用經驗不多，為安全起見，對這種結構抗震設計的最大適用高度、使用范圍、抗震等級、墻肢厚度、軸壓比、截面剪力設計值、縱向鋼筋配筋率均做了較嚴格的限制。

4 計算結果的比較

對以上所述六種結構形式，本人統一采用“建科院SATWE”進行計算，計算結果列表表示。

根據以上計算結果：

4．1 地震周期

框架結構最大(T1=1.6463S)，短肢剪力墻結構最小，異型柱剪力墻結構次之，其余結構相差不大。顯然，這是與結構的剛度有直接關系。

4．2 水平地震剪力

框架結構最小(1347.77f)，短肢剪力墻結構最大，異型柱剪力墻結構次之，其余結構相差不大。顯然，這是與結構的地震周期是一致的。

4．3 最大層間位移

框架結構最大(Dx/h=1/455)，短肢剪力墻結構次之(1/3591)，其余結構相差不大。顯然，這是與結構的剛度是一致的。

4．4 結構自重

框架結構最大，其余結構相差不大(約8300t)?；钶d相差不大(約600t)。恒載占總重量的百分比為93％以上，故在高層計算中，一般可不考慮恒活最不利組合，這對計算結果幾乎無影響。

4．5 砼用量

短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構較大(約146m3)，其余結構相差不大(約1333)。相差了146/13.1=1.1倍。

4．6 鋼筋用量

短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構較大(約18.5f)，其余結構相差不大(約16.0t)。相差了18.5/16.0=1.15倍。這是由于前者結構的最小配筋率要求較高。

4．7 工程造價

短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構較大(約405元/m3），框架結構最小(349元／m2)。這是由于短肢剪力墻結構與異型柱剪力墻結構在砼用量和鋼筋用量均較高。

4．8 基礎造價

根據第4)項的分析結果，基礎造價基本上與建筑物結構自重一致，這里不另做分析比較。

5 結論

對以上各類結構形式進行分析，各種類型均有優缺點，設計人員應根據建筑物所處的地區、業主的要求以及地質條件在滿足國家規范及強制性條文的要求下選擇合適的結構類型。