高層住宅建筑結構設計的重點事項研究

耿小龍

摘 要：隨著城市化進程加快，商業用地成本趨高，高層住宅日趨增多，為迎合建設方實現利潤最大化要求，需對高層住宅結構設計進行優化，以有效控制工程造價，實現最佳建造經濟與建筑質量的協調。本文首先從高層住宅建筑結構形式展開論述，然后分析高層住宅建筑結構的特征，最后就高層住宅建筑結構設計的重點進行探討。

關鍵詞：高層住宅;建筑結構;設計要點

高層住宅是城市發展到一定階段的產物，是人們日常生活的重要組成部分。在人類的住宅發展過程中，建筑造型越來越多元化，建筑的功能也越來越人性化。如何更好地實現建筑師的高層住宅設計意圖，是結構工程師在結構設計和優化中需解決的關鍵問題。

1 高層住宅建筑結構形式

（1）框架結構?？臻g布局靈活，建筑內部空間大，底層空間的實用性強，而且設計簡便。但這種結構形式的不足之處在于框架柱的截面面積比較大，而且在柱位置會凸出墻體，會影響高層住宅戶型的實際使用面積，不利于提高高層住宅空間利用率，同時會影響住戶的家具布置，降低住戶的使用感受。（2）異形柱框架結構。與框架結構設計類似，異形柱的寬度能和墻體的厚度保持一致，能夠有效地進行室內空間布局，但其缺點在于其抗震性較差，適用高度低，不適用于高層住宅。（3）框架-剪力墻結構。這一種結構多適用于高層住宅中，其豎向荷載主要由框架柱承擔，因此能夠隨建筑功能要求靈活布置，便于實現大空間、大柱跨的建筑要求;水平荷載主要由剪力墻承擔，同時剪力墻也承擔一部分豎向荷載。通常在一些商業住宅，或是有商業空間要求的建筑中使用較好，其缺點在于框架柱截面較大，對住宅建筑的使用有較大的影響。（4）剪力墻結構。該結構主要是根據建筑平面來合理布置鋼筋混凝土剪力墻，由于其不存在外凸柱子，能夠提高室內空間的利用率，而且也較易滿足住宅建筑的平面使用要求，但其不足之處在于剪力墻結構的剛度較大，對地震的反應比較強烈，而且剪力墻自身較重，若是設計不合理，將會導致造價過高。

2 高層住宅建筑結構的特征

高層住宅在進行結構設計時，主要是考慮豎向荷載和水平荷載這兩個因素。其中豎向荷載主要包括結構本身自重、施工或建成使用中的活荷載以及豎向地震作用等;水平荷載主要包括風荷載和水平地震作用。豎向荷載作用下的受力情況相對簡單，根據傳統的力學知識即可進行分析設計，但水平荷載作用下的受力情況相對復雜，而且對高層住宅的結構起控制作用的往往是風荷載和水平地震作用。

3 高層住宅建筑結構設計要點

3.1 工程概況

某高層住宅項目，抗震設防烈度為7度區，地上35層，1～5層為商業建筑，5層為轉換層，6層及以上為住宅，地下一層為的車庫。采用帶轉換層的剪力墻結構體系，部分剪力墻直接落地。上部設置伸縮縫，凈寬300mm，左塔和右塔長分別為32.6m和56m。

3.2 結構布局分析

對建筑結構體系展開分析，可以發現存在一定不規則性，在結構布局上需要多次驗算，促使結構抗扭能力得到提高。

在結構的平面布置中，應加強層間位移比、周期比的控制。避免結構產生過大偏心力而導致結構產生較大扭轉效應。在結構正常使用狀態下，應根據結構的位移角限值嚴控位移角，保證結構具有足夠的剛度，避免產生過大位移從而導致結構的承載力、穩定性和使用要求受到影響。

在結構的豎向布置中，轉換層的設置會導致出現豎向不規則。采取這種豎向抗側力構件不連續的結構形式，容易使結構因不規則問題出現超限情況。因此在結構設計中宜設置抗震縫，也可以對樓板結構進行增設。而轉換層位于6層，相對較高，需要保證轉換層上、下樓板剛度達到要求，促使上、下部結構得到嚴格控制，達到一定剛度比要求。針對6層及以上樓層，考慮到樓板較薄，需要對轉換層相鄰上一層樓板的剛度進行加強，板厚采用150mm，雙層雙向拉通鋼筋配置，配筋率每層每個方向不小于0.2%。同時，在建筑28層位置，需要完成局部收進，盡管幅度較小，并未引發豎向不規則問題，但容易產生位移突變。為防止高位出現薄弱層，設計時，需要對上下剪力墻進行加強設計，使上、下層的剛度比得到有效控制。

3.3 結構受力分析

在建筑結構設計中，需要分析結構的豎向荷載和水平荷載作用力，保證結構整體穩定。剪力墻結構受力具有一定復雜性，需要利用三維分析軟件完成結構整體性能分析，確認是否存在薄弱部位。采用有限元分析軟件，可以對梁、柱等構件進行配筋計算分析，通過計算結果看是否滿足規范及使用要求。該建筑為部分框支剪力墻結構，抗震設防烈度7度，結構高寬比限值為6。從結構形式來看，左塔高寬比為7.88，右塔為6.8，均大于6，屬于平面不規則。從整體來看，建筑總高度超出100m，應采用彈性時程分析法進行分析，研究風荷載、水平地震作用等水平荷載作用下結構整體抗傾覆能力，并對剪力墻、柱等豎向構件抗側力性能進行分析。通過對結構各部位最大程度破壞地分析，能夠為結構配筋優化提供可靠依據，并促使結構整體性能得到改善。

根據結構實際情況，應分別建立左塔和右塔兩個結構模型。對于地下室部分，需要將1-2跨并入主體，對結構進行整體分析。結合結構動力特性，按規范選擇3條地震波，開展多遇地震下的動力時程分析。建筑特征周期為0.51s，結構阻尼比為0.05，地震波主分量峰值加速度為35cm/s2。采用天然地震波對建筑底層剪力進行分析，能夠確認底部剪力墻加強結構可以達到設計性能要求。在建筑嵌固端位置，上、下層剛度比能夠達到設計要求。而從局部結構受力情況來看，在裙房屋面位置和局部收進位置存在剛度和位移明顯變化，分別位于建筑第7層和第29層。盡管分析得到的指標符合規范要求，但還應對結構進行加強設計，以免結構發生突變問題。

3.4 結構抗震設計

為滿足結構抗震設計要求，還需分析地震作用下的結構位移，利用靜力彈塑性分析方法確認結構設計能否達到要求。在結構優化中，還要從結構穩定性、承載力等各方面采取措施，促使結構性能得到增強。針對結構薄弱位置，還應采取措施進行加強，促使結構抗震能力得到提高。實際在抗震設計中，一般需設置多道抗震防線，完成建筑抗側力構件合理布置，保證結構受力均勻。

采用SATWE軟件進行結構分析計算，對地震作用下建筑左、右兩塔的剪力和剪重比展開分析可以發現，在X方向上，左塔剪重比為1.88%，右塔剪重比為1.46%。在Y方向上，左塔剪重比為2.08%，右塔剪重比為1.61%。根據結果可知，左塔底部剪重比較大，能夠滿足規范要求，右塔剪重比略小于規范要求。結合結構受力、單元位移等分析結果，可以認為兩部分結構整體剛度比合理，只需要對局部剪重比不達標的樓層進行調整即可滿足抗震性能設計要求。實際在結構抗震設計中，考慮到轉換層位置較高，剪力墻設計需要達到一級抗震要求，剪力設計值達到基礎值的1.6倍以上。在建筑上部結構剛度得到提升的情況下，還要使剪力得到增大，確保上、下部分得到有效協調。

4 結語

對于高層住宅建筑結構設計，無論采用哪種結構形式，都應保證結構整體性能可以滿足建筑設計要求，在保證結構穩定、安全的基礎上，為建筑建設、使用提供支持，為建筑可持續發展提供保障。

參考文獻：

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