高層鋼筋混凝土住宅設計中的結構設計分析

【摘要】闡述了高層鋼筋混凝土住宅設計中的地基與基礎結構設計、鋼筋混凝土剪力墻結構設計、以及高層鋼筋混凝土住宅的抗震設計，并分別對具體設計中容易發生的問題進行了分析，同時提出了一些相應的解決措施。

【關鍵詞】高層；鋼筋混凝土住宅設計；結構設計；分析

隨著我國市場經濟的不斷發展，工程建筑業也突飛猛進，建筑住宅也在原本安全的基礎上提出了適用性強的新要求。鑒于這樣的趨勢，高層鋼筋混凝土住宅便應運而生，它不但滿足了土地得以有效利用的基本要求，而且其結構更加具有安全性和適用性。目前，很多早期的多層砌體住宅已經逐步被這種結構所取代，因此有必要對時下流行且適應未來建筑發展潮流的高層鋼筋混凝土住宅的結構設計進行分析。

一、地基與基礎設計

基礎方案的建立是在高層住宅所在地的地質資料和其結構形式決定的。工程設計師會根據建筑周圍的地質密度以及建筑的角度等情況確定地基深度。天然地基已經不適合作為持力層，設計方一般會采用人工處理地基做為持力層，人工挖孔樁為住宅基礎。在施工過程中，施工方應根據持力層出現的不同情況而進行相應的處理。比如出現流砂層時，應適當減少每節的護臂高度，一般采用30厘米混凝土與速凝劑相結合的方式處理。若該層出現大量水，則應及時采用鋼護筒措施，并利用附近無流砂的樁孔降低水位，一般在施工前都會將樁孔進行挖深作為備用。

若基礎型式采用鋼筋混凝土筏板基礎，則應考慮負載確定筏板厚度，同時應將筏板外挑以方便后續的工程施工。同時，基礎與擠密樁頂之間應填充均勻適度的灰土墊層，以確保基礎的受力均勻。

二、鋼筋混凝土剪力墻結構設計

1、剪力墻墻元劃分

剪力墻結構有剛度大、變形小、整體性好等諸多優點，但是實際施工和計算中卻不盡然。由于在整體計算中必須要對墻體以單元形式劃分，所以劃分的單元難免出現異性、尖角等不規則形狀，根據工程實踐，這種劃分對墻肢和連梁的計算誤差很大，對于出現不規則形狀的部位甚至會出現計算失真的情況。

因此，在墻元劃分時應堅持理論與實際相結合，盡量做到單元形狀規則，保證其節點的整齊。鑒于此，筆者針對在建模過程中常出現的問題給予了一些建議。

一般情況下，在墻體開洞處(窗洞口或結構洞等)周邊墻肢、連梁的網格容易出現較大計算誤差，因此劃分網格時應將程序默認的網格邊長進行適當調整(如減小到0.8m左右)，然后再根據連梁、墻肢的大小和形狀進行劃分，這樣可提高單元網格規則度。（在結構計算中，連梁配筋超筋時可減小墻元細分最大控制長度。當工程體量過大時可放大墻元細分最大控制長度。）

當然，若出現特殊情況，比如洞邊墻垛較小時，這種情況對計算結果有較大影響，甚至出現計算失真的情況，因此應結合理論采取有效實用的處理方法，比如：

（1）當墻垛凈寬度在300毫米左右時，建模時應將墻垛寬度取為300毫米；

（2）若墻垛遠小于或者遠大于300毫米時，則應取消墻垛進行計算。工程實踐演算已經證明，上述這種處理方法，不但簡單而且十分有效，其計算結果是精確度高且相對合理；

（3）洞口連梁的地位不容忽視，它在建模時的生成方式對整體結構的剛度、周期、位移以及連梁內力均有較大影響。對于剪力墻連梁生成的方式一般表現為兩種：①相對簡單的形成方式：即直接在剪力墻上布置洞口，使上下洞口之間形成連梁；②相對復雜的形成方式：即在剪力墻端部加設節點之后，在兩節點之間按普通梁輸入形成連梁。

當然，這種連梁的生成方式取決于連梁自身的變形條件。若連梁中的剪切位移(變形)不能被忽略，則應以開設洞口方式形成連梁；而當其剪切位移在連梁相對位移中所占的比重較小時，則可忽略不計，即用普通梁方式輸入。

根據連梁剪切變形的特點進行分析發現，它的剪切變形在所有變形中所占比重直接受到連梁的跨高比影響，因此，在實際的設計中應將連梁的跨高比與墻單元進行分析，即當跨高比＜2．5時，連梁應按墻單元輸入，選擇墻體開設洞口方式形成連梁；當跨高比在2.5和5之間時，連梁應按墻單元輸入，選擇墻體開設洞口方式形成連梁，但網格應進行適當地細分；當跨高比≥5時，連梁應按普通梁單元輸入（即在剪力墻端部加設節點之后，在兩節點之間按普通梁輸入形成連梁）。

2、地下室外墻設計

高層鋼筋混凝土住宅設計中的剪力墻結構設計從地下室的外墻設計開始，因此應先對其進行適當的計算。目前在《建筑地基基礎設計規范》中暫時無法有針對性的算法，計算模型輸入方式也較多，所以結構設計師無法參考統一的標準，但是無外乎是控制好安全性、適應性和經濟性三者之間的平衡，并且以安全為主，經濟和適用為輔。

根據高層鋼筋混凝土住宅成功案例的不完全統計，目前一般以內墻間距為參考，即當內墻間距小于3倍層高時，其對應的外墻可簡化為三角形或梯形荷載下四邊支承或三邊支承(注意：這應建立在窗井等上端無支承的情況下)的板來計算。同時應注意，鋼筋混凝土水池計算中的水池無水狀態計算與地下室外墻計算條件相近，且可參考《鋼筋混凝土水池設計規范》，所以以此為標準可達到事半功倍的效果，便于統計外墻的荷載和對模型的選取。

3、上部結構設計

高層住宅隨著高度增加，其水平荷載也逐漸增長，這種水平荷載會引起住宅變形。所以，高層住宅的上部結構必須有足夠的抗側能力，來抵抗和控制這種變形。同時考慮到住宅適用性的要求，即其結構要隱梁隱柱。如此，鑒于鋼筋混凝土剪力墻結構的結構水平位移小，以及在施工技術上完全做到隱梁隱柱等優點，大多高層住宅的上部結構設計中，關于上部結構的設計都是采用剪力墻結構。

據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3—2010)A級高度全部落地剪力墻結構在8度設防時的規定，其最大高度為100米。因此，采用鋼筋混凝土剪力墻結構的高層住宅最高不應超過100米。而在其以下，均可以使用剪力墻結構。

同時，住宅建筑在滿足外墻開窗等功能要求時存在部分短肢剪力墻，即剪力墻截面厚度比在4-8之間，若這種短肢剪力墻在建筑中出現較多，則為了考慮到結構抗震性，應將住宅高度適當降低，并應控制短肢剪力墻承擔的底部傾覆力矩不大于結構底部總地震傾覆力矩的50%。

當然，剪力墻并非也有無法規避的缺點，比如采用剪力墻結構設計的住宅，在實現建筑完整性的同時還要考慮其適應性，主要是必須滿足一定的凈空要求，因此在這種要求之下，就要求盡可能低的使用結構梁，如此很多相鄰板跨之間便缺少梁的分隔，而形成面積較大的陰角異形板，這往往是應力的集中點，容易差生板面開裂，因此對這種無法避免的情況應通過專業的軟件計算，取得科學而真實的結果后，在異形板處附加放射狀鋼筋等相應措施以減小板面開裂。

三、抗震設計

高層住宅結構設計中必須有專門的抗震結構設計，即通過相關的內力調整和構造措施確保建筑結構在地震力的影響下保持足夠的延性。為了達到這個目的，在具體的抗震設計中，應對各抗側力構件實施必要的抗震結構設計，在減少板厚減低結構荷載的基礎上，滿足建筑的整體抗震性。

在具體的設計中應注意一些細節：（1）對所有短肢剪力墻部分采取控制軸壓比、增加配筋率以提高短肢剪力墻的抗震能力。（2）在剪力墻端部以及縱橫墻交接處，全部設置暗柱或端柱等約束邊緣構件。（3）禁止樓面梁垂直支承于剪力墻上，若無法避免則應在墻和梁相交處設置暗柱。（4）控制各層連梁縱向伸入剪力墻墻體長度，連梁與剪力墻交接位置均設置暗柱與連梁連接，暗柱配置相應構造箍筋與連梁鋼筋搭接。（5）剪力墻長度超過8米時，應采用開設結構洞的方法將其分成聯肢墻。（6）根據計算，適當降低連梁的截面高度，對計算剪力過大的連梁，應沿連梁對角線方向配置X交叉鋼筋。與此同時，提高相鄰樓層同一部位的連梁彎矩設計值。

四、總結

高層住宅屬于安居工程，鋼筋混凝土的結構設計滿足了人們對住宅安全性、適用性的需要。隨著市場經濟的發展和人們生活水平的提高，住宅結構設計還會面臨新的挑戰，所以，結構設計師應與時俱進，為建設安全型、適用型、經濟型住宅的目標不斷努力。

參考文獻：

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