小高層住宅結構設計分析

徐平

【摘要】本文作者結合多年工作經驗分析了小高層住宅設計的現狀及其發展趨勢，參照近幾年來的小高層住宅的結構設計， 對小高層住宅結構設計思想和設計手法的進行了簡要的分析， 以當前先進的設計理論為基礎， 研究了小高層住宅的設計原則和設計方法。

【關鍵詞】住宅建筑； 結構設計； 剪力墻； 樓板

近年來小高層住宅大量涌現。大多數人很關注和重視小高層住宅， 因為小高層住宅的目的主要用來居住或是投資， 也是反應民眾生活富裕程度的重要標志。如何在設計過程中使結構方案經濟合理對我們這些結構設計技術人員來說是新的挑戰。所謂小高層住宅，平面布局類似于多層住宅。其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， 然后電算，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。正因為這樣， 筆者結合近幾年對小高層住宅結構設計的過程， 對小高層住宅結構設計中的幾個問題進行一些探討， 以供今后的設計技術人員更深層次的研究提供理論基礎。

1 結構計算分析與總體指標控制

結構整體計算的軟件選擇。目前比較通用的計算軟件有： SATWETAT、TBSA或ETABSSAP等。但是， 由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異， 導致了各軟件的計算結果或大或小。所以， 在進行工程整體結構計算和分析時， 必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件， 并從不同軟件相差較大的計算結果中。判斷哪個是合理的。特別在抗震超限分析中， 哪個是可以作為參考的， 哪個又是意義不大的， 這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。否則， 如果選擇了不合適的計算軟件， 不但會浪費大量的時間和精力， 而且有可能使結構有不安全的隱患存在。

如若剛度太大， 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。對合理的剛度， 筆者建議： 對小高層住宅u /__H取1 /2 500 - 1 /3 500， 剛重比在10～15之間是比較合理的。周期約為層數的0106倍～0108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112 倍， 不應大于該樓層平均值的115 倍。當然，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

小高層建筑基礎設計一直是結構工程師極其關注和重視的一方面。目前， 小高層剪力墻體系由于考慮埋置深度的要求。一般均設置地下室。常用樁基型式有預制鋼筋混凝土方樁、PHC管樁、鉆孔灌注樁及鉆孔灌注后壓漿樁。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， 采用中410 mm預應力管樁， 可選樁長25 m， 單樁承載力特征值Ra = 900 kN； 樁長34 m， 單樁承載力特征值Ra = 1 300 kN。采用25 m樁需290根， 采用34 m樁需200根。但采用25 m樁為滿樘布置， 筏板厚需1 200 mm； 而采34 m樁為墻下布置， 筏板可減至900 mm， 經濟性明顯。因此， 基礎選型應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研究探討。由于考慮地下室的使用合理性， 常規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100 m以上， 中間就設置幾條后澆帶也沒有其他措施， 是不妥當的。

嵌固端的設置問題： 由于小高層建筑一般都帶有一或二層的地下室和人防， 嵌固端有可能設置在地下室頂板，也有可能設置在人防頂板等位置。在這個問題上結構設計工程師往往忽視了由嵌固端的設置帶來的一系列需要注意的方面。如： 嵌固端樓板的設計、嵌固端上下層剛度比的限制、嵌固端上下層抗震等級的一致性、在結構整體計算時嵌固端的設置、結構抗震縫設置與嵌固端位置的協調等等問題。而忽略其中任何一個方面， 都有可能導致后期設計工作的大量修改或埋下安全隱患。

3 樓板設計

伴隨著商品混凝土的推廣， 建筑樓面出現裂縫的機率加大。并且日益受到人們的關注。專家認為， 控制裂縫是個系統工程， 樓面結構出現裂縫原因復雜。有材料、溫度變化等原因， 也有設計、施工使用等方面問題； 而樓面沿板內預埋管線出現的裂縫尚未引起工程人員足夠重視。從設計方面看， 以下成因應當重視， 利于有目的進行裂縫控制。樓板剛度不足： 設計按多跨連續板進行配筋計算， 側重于滿足結構安全， 較少考慮混凝土收縮特性和溫度變形等多種因素。樓板高跨比僅為L /33～L /35。其剛度較小對裂縫控制很不利。

樓板構造配筋設計不周： 設計在支座處按常規配設負筋， 在中部板面不配鋼筋。當板面出現溫度變形和混凝土收縮， 因無構造鋼筋約束， 板面即出現裂縫。樓板內布線欠合理： 由于水電施工圖由各專業設計。實際施工中出現水電管交叉疊放， 或由于設計考慮管內容線面積， 部分預埋管徑≥25 mm， 且設計管線位置在樓板跨中。即在單層雙向配筋處， 樓板有效截面受到很大程度（ 15% ～40% ） 削弱， 成為樓板最易開裂的部位。當樓板收縮應力大于混凝土極限抗拉強度時， 即出現沿管線表面呈直線狀的裂縫。

從房屋的空間結構來看， 剪力墻剛度大約束了剪力墻間梁板的水平向自由變形， 而梁剛度又較板剛度大。因各類因素引起的水平向收縮變形均集中到剪力墻間剛度最小的板上， 造成這塊板開裂。對策及建議： 梁板混凝土強度等級不宜大于C30， 樓板應雙層雙向配筋； 屋面、轉換層樓面配筋宜加強； 樓板內管線應避免出現交叉（將交叉部位設置在梁或墻上） ， 控制管線直徑。使其不超過板厚的20%且≤25 mm； 重視房屋外圍護構件（外墻、屋面、門窗等） 的保溫設計， 若使房屋具有良好的保溫性能， 不僅可大幅度降低房屋長期能耗， 更是減少因溫差變形而引起裂縫的有效手段。

5 小結

綜上所述， 小高住宅的建設中尚有許多需要設計人員去解決的問題。如設計更好的戶型， 創造更優雅的居住環境， 降低成本等。筆者認為建筑師只要不斷地創新， 不斷地提高與改進結構設計， 不斷地推廣與宣傳。我想， 小高層住宅在我們湖南各個中小城市的發展與推廣不再會成為遙遠的夢想。小高層住宅的建設與推廣， 需要一種力量帶它步入社會發展的高速軌道， 更需要一種力量去引導人們的觀念， 這也是我們這一代結構工程師的職責所在。

參考文獻：

[ 1 ] 葉蔚冬. 小高層住宅設計研究[D ]. 湖南大學， 2002.

[ 2 ] 宋義. 小高層住宅建設與住宅產業發展[ J ]. 工程建設與檔案，2004， （02） .

[ 3 ] 王燕，齊海麗. 某高層建筑結構設計分析[ J ]. 陜西建筑， 2006，（03） .

[ 4 ] 慕春暖. 城市住宅發展趨勢探討[ J ]. 城市， 2003， （03） .