小高層設計若干問題探討

近期，小高層住宅大量涌現，如何在設計過程中使結構方案經濟合理已成當務之急。由于目前的高層住宅結構設計大多數是根據已經確定好的平面和豎向布置，先假定好構件尺寸，通過電算，電算一般是個別指標超限，則對這部分進行調整，至于整個方案是否完善，構件尺寸假定是否太大，則心中無底。很多時候都會產生不必要的浪費。另外，住宅布置有時候建筑考慮立面和內部空間，使結構產生很多不合理之處。例如：某些剪力墻布置不均勻，產生剛度偏心和扭轉；多處形成一字型短墻；頂部布置共享空間，產生平面不規則等，這些形式對結構受力及抗震均不利。因此我們在設計時必須強調概念設計，在平面布置和構造設計上使結構更趨合理，做到經濟合理。

1、總體指標控制：

計算判斷結構抗震是否可行的主要依據是在風荷載和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，結構的振型曲線，自振周期以及風荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍中。總體指標對建筑物的總體判別十分有用。譬如說若剛度太大，周期太短，導致地震效應增大，造成不必要的材料浪費；但剛度太小，結構變形太大，影響建筑物的使用。合理的剛度是多少，筆者建議對于小高層住宅μ/H取1/2500～1/3500，剛重比在10～15之間是比較合理的。周期約為層數的0.06～0.08倍之間。另外，對結構布置扭轉的控制：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍。當然，筆者建議對于頂層構件可不考慮在內，否則很難滿足上述指標。

2、基礎設計：

目前的短肢剪力墻體系小高層由于考慮埋置深度的要求，一般均設置地下室。基礎則采用樁筏基礎。如何對樁進行合理選型，將對整個地下室設計的經濟性產生重要影響。例如某一工程，上部十八層帶一地下室，根據勘察報告，采用Φ400預應力管樁，可選樁長有樁長25m，單樁承載力特征值Ra=900KN，樁長34m，單樁承載力特征值Ra=1300KN。采用25m樁需要290根，采用34m樁需要200根。從樁本身比較兩種方案，總的樁延米數量相當，但采用25m樁為滿樘布置，筏板厚需1200mm，而采用34m樁為墻下布置，筏板可減至900mm，經濟性明顯。因此，筆者認為基礎選型應作方案比較，才能選定經濟合理的方案。而對于筏板厚度的取值，則應考慮樁沖切，角樁沖切，墻沖切及板配筋等多方面的因素。另外，筏板長度的設置也須我們研究探討，由于考慮地下室的使用合理性，常規我們采用設置后澆帶來解決底板超長引起的收縮及溫度裂縫，后澆帶的作用是明顯的，但也給施工帶來了不少麻煩，甚至由于處理不當而引起后澆帶漏水及裂縫。而有些高層，長寬均達100m以上，中間就設置幾條后澆帶，也沒有其他措施，筆者認為是不妥當的。

3、剪力墻設計：

1）. 布置：剪力墻布置必須均勻合理，使整個建筑物的質心和剛心趨于重合，且X，Y兩向的剛重比接近。在結構布置應避免一字形剪力墻，若出現則應布置成長墻（h/w>8）；應避免樓面主梁平面外擱置在剪力墻上，若無法避免，則剪力墻相應部位應設置暗柱，當梁高大于墻厚的2.5倍時，應計算暗柱配筋，轉角處墻肢應盡可能長，因轉角處應力容易集中，有條件兩個方向均應布置成長墻；規范中對普通墻及短肢墻的界定是墻高厚比8倍以下為短墻，大于8倍則為普通墻，這就引起高厚比為7.9倍及8.1倍的兩種墻的受力特性截然不同，而配筋亦大相徑庭，這顯得比較機械而不合理，因此筆者建議布置長墻時高厚比能大于9。

2）. 配筋及構造：對于小高層住宅來說，剪力墻是面廣量大的，因此合理的控制剪力墻配筋對于結構安全及工程的經濟性具有十分重要的作用。

a） 剪力墻墻體配筋（以200厚墻體為例）一般要求水平鋼筋放在外側，豎向鋼筋放在內側。配筋滿足計算及規范建議的最小配筋率即可。筆者建議加強區Φ10@200，非加強區Φ8@200雙層雙向即可，雙排鋼筋之間采用Φ6@600x600拉筋。但地下部分墻體配筋則另當別論。因為地下部分墻體配筋大多由水壓力，土壓力產生的側壓力控制，而由于簡化計算經常由豎向筋控制，此種情況下為增大計算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內側，豎向鋼筋放在外側。地下部分墻體鋼筋保護層按《地下工程防水技術規范》第4.1.6條規定：迎水面保護層應大于50mm，且在保護層內按《混凝土結構設計規范》第9.2.4條規定增設雙向鋼筋網片。在這種情況下，很多設計人員在進行外墻裂縫驗算時有效截面高度仍按保護層50mm計算，筆者認為是不妥當的。當采取了雙向鋼筋網片后，計算保護層厚度至少可按30mm來取值，這對節省墻體配筋效果相當明顯。

b）.剪力墻按規范應設置邊緣構件，一.二級抗震設計的剪力墻底部加強部位及其上一層的墻肢端部應設置約束邊緣構件；其余剪力墻應按《高層建筑混凝土結構技術規程》第7.2.17條設置構造邊緣構件。本節僅就構造邊緣構件的配筋作一點討論。筆者認為首先要區分剪力墻的受力特性及類別，即：普通剪力墻（長墻），短肢剪力墻，小墻肢和一個方向長肢墻而另一方向屬短肢墻來區別對待配筋。對于普通剪力墻，其暗柱配筋滿足規范要求的最小配筋率，建議加強區0.7%，一般部位0.5%。對于短肢剪力墻，應按高規第7.1.2條控制配筋率加強區1.2%，一般部位1.0%；對于小墻肢其受力性能較差，應嚴格按高規控制其軸壓比，宜按框架柱進行截面設計，并應控制其縱向鋼筋配筋率加強區1.2%，一般部位1.0%；而對于一個方向長肢另一方向短肢的墻體，設計中往往就按長肢墻進行暗柱配筋，筆者認為這并不妥當，建議有兩種方法。其一，計算中另一方向短肢不進人剛度，則配筋可不考慮該方向短肢影響；其二，計算中短肢進人剛度，則配筋中應考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率加強區1.0%，一般部位0.8%。

c）.剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，在地震作用下彎矩、剪力很大，有時很難進行設計，如果加大連梁高度，配筋值有時反而更大。連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞頂算到樓面標高。對于門洞，上述所示情況梁的高度是一樣的；但對于窗洞，連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底，有時則高度太高，這樣高跨比太大，并且與計算圖形不符，相應配筋亦較大，不合理。筆者建議，連梁高度計算與設計統一規定從洞頂算到樓板面或屋面，對于窗洞樓面至窗臺部分可用磚或其他輕質材料砌筑。對于窗臺有飄窗時，可再增加一根梁，兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應對稱配置，腰筋同墻體水平筋。

d）. 目前，各設計院在剪力墻的樓層處均設置暗梁，而對暗梁的作用及配筋亦各有理解。筆者認為對于框架-剪力墻結構，如剪力墻周邊僅有柱而無梁時，則設置暗梁，并且要求剪力墻兩端是明柱，這是因為周邊有梁柱的剪力墻，抗震性能要比一般剪力墻要好。剪力墻結構則沒有這方面的要求，在墻板交接處設置暗梁對加強墻體整體性作用還是有的，但究竟有多大則無從確定。因此筆者認為，就目前而言，在樓層位置設置暗梁是可行的，但沒有必要設置太大斷面及配筋，建議底部加強區斷面可取墻厚x300，配筋上下各2Φ16，一般部位斷面可取墻厚x250，配筋上下各2Φ14即可。

總之，小高層設計時如何把握好合理性，經濟性至關重要。在規范允許范圍內，合理把握關鍵部位及次要構件，什么地方應加強，什么地方可以放松，對于整個建筑物保證安全及降低造價影響巨大，這也是我們在今后的設計中要不斷提高及改進的。