城市躍層住宅建筑結構抗震性能分析

都來盼，王鑫，程旭，韋雅妮，李慧峰

（西南林業大學 土木工程學院，云南昆明 650224）

0 引言

近年來，城市建設高速發展，設計師更多注重建筑容積率和建筑密度等指標，以獲得最大經濟效益，這就導致對私人的開放空間減少，公共開放空間不足。在房地產業主導的背景下，標準化住宅成為主流，住宅設計大多雷同。基于可持續發展要求，提高住宅的靈活性、舒適性，滿足人性化宜居的建筑理念，成為住宅發展的必然趨勢。對此，很多學者開展了研究。Tokazhanov, Galym等人[1]通過改變設計生活空間方式，給居民提供更多的健康、安全、舒適空間，既滿足人性化宜居還能給社會和環境帶來綜合效益。鄭慧瑾等人[2]和邵郁等人[3]認為住宅不能只呈現千篇一律的房地產范式，要讓住宅開放，回歸自然，營造公共空間，提高住宅的人性化設計。本文基于人性化理念進行躍層住宅的建筑方案設計，給出兩種與之對應的結構布置方式，并對其進行受力分析，旨在保證住宅結構安全的前提下，提高其空間靈活性，讓住宅融入自然，更好地體現人性化設計，跳出單一的鳥籠式“標準化”住宅模式。

1 人性化宜居住宅建筑與結構選型

1.1 建筑選型

我國各城市中目前存在較多的居住建筑形式有：別墅、四合院、多層居住建筑及高層居住建筑等，其中更為舒適且更能滿足人們需求的建筑形式為別墅。獨棟別墅一般是二到三層，房間可以滿足不同功能需求，客廳不僅寬敞而且一至二樓挑空，擁有私家花園。但獨棟別墅建造用地較大，不僅價格較高且受土地指標限制不能普遍推廣。其建筑一般獨立分布在郊區或者鄉村，與城市的交通和生活配套設施距離較遠，日常生活方便程度較差。

本文在此基礎上提出了一種城市躍層住宅建筑方案。不僅可以讓生活和交通更便利，還能讓住宅內部空間靈活、可變，滿足住房的人性化居住需求。躍層建筑一戶擁有兩層建筑面積，聯排之間四戶共同擁有一個12～18m寬大平臺。建造時可以在平臺種植喬本、灌木叢綠植、讓住宅與自然環境相協調，創造出人性化宜居、健康、舒適的居住環境。同時在平臺可以適當安裝健身運動設施，讓住戶體驗出門即可健身的便捷。重大節日時，兩側居民可在平臺集體聚餐，促進鄰里關系。基于以上闡述，給出一種建筑方案平面布置圖如圖1所示；建筑效果圖如圖2所示。

圖2 建筑效果圖

圖1 為1—18層全躍層式高層住宅方案，一戶一梯，出電梯即到大平臺，入戶位置可根據用戶使用情況設計入戶花園。為保障不同時間段的采光，建筑可選擇東西朝向，還可將一樓起居室上方挑空增加室內的光照、亮度。全躍層建筑下層設置起居室、餐廳、廚房，以及公共衛生間，上層主要是休息和辦公區域，住戶可根據自己的需求和應用場景進行室內空間調整，充分利用躍層建筑多一個房間多一個功能的優勢。通過結構選型，讓空間內部靈活、可變、舒適，體現人性化設計。

1.2 結構選型與結構布置

本文基于人性化宜居的理念，讓住戶更好地參與到住宅內部空間的設計中，給出了兩種結構選型，剪力墻結構和框架-剪力墻結構。剪力墻結構是一種常見的抗震結構形式，墻體一般布置在建筑的外圍，或者內部設置一些具有一定厚度和剛度的墻體，可以很好地抵抗水平力和結構側移。剪力墻結構室內需要布置剪力墻，導致空間靈活性差，住戶想要根據生活需求變化改變空間布局時，會受到內部剪力墻限制，不能隨意隔斷。考慮此情況，本文提出采用躍層設計以滿足空間的人性化需求，在空間的布局上更多體現出多一個房間多一個功能的優勢。剪力墻結構的墻體布置如圖3所示。

圖3 剪力墻結構平面布置

框剪-剪力墻結構，是一種非常成熟的抗震結構形式。既有框架結構的剛性和強度，又能利用剪力墻來吸收地震荷載，抗震性能較好，空間利用率也高。考慮到住宅空間的靈活性，及人性化宜居要求，剪力墻盡量布置在邊跨上，戶型內部設置柱子。這樣可以讓住戶根據需求和應用場景變化改變空間布局。框剪結構的平面布置如圖4所示。

圖4 框架-剪力墻結構平面布置

2 工程概況及結構體系

2.1 工程概況

某住宅建筑工程位于云南省昆明市城區，地震設防烈度為8度（0.2 g），場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40 s；地面粗糙程度為B類，基本風壓0.30 kN/m2，設計年限50年。地上部分為18層，聯排之間在奇數層設置大平層。

2.2 結構抗側體系

剪力墻結構和框架-剪力墻結構平面尺寸為28.2 m×34.6 m，高寬比為1.56，奇數層平臺面寬12 m，進深28.2 m。豎向構件混凝土等級為C35～C40，墻寬為200～250 mm。水平構件混凝土強度等級為C35～C40，其中連體樓板混凝土的強度等級為C30～C35。結構采用只設置主梁的梁板體系，梁的主要尺寸為250×600 mm或200×600 mm。

框架剪力墻結構平面尺寸與剪力墻相同，豎向構件的混凝土等級為C35～C40，柱子的主要尺寸為600×600 mm，連體平臺最大柱尺寸為700×600 mm，其余尺寸為600×600 mm，剪力墻墻厚250～300 mm。

2.3 結構抗震性能目標

《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3—2010[4]（簡稱“高規”）中相關條文規定，結構抗震性能目標分為A、B、C、D四個等級，結構抗震性能分為1—5五個水準。根據《建筑抗震設計規范》GB50011—2010[5]的規定，B類建筑包括居住建筑，在地震作用下雖然可以出現輕微的破壞，但不應該發生倒塌或嚴重破壞，必須保證其功能的持續性和可恢復性。

按照高規相關條文規定，該建筑屬于不規則結構，參考抗震性能目標定為B級，多遇地震、設防地震、罕遇地震性能水準分別為1、2、3級。主要構件性能目標見表1。

表1 構件性能目標

3 結構抗震分析與計算

3.1 結構的自振特性

采用PMSAP軟件計算了結構的自振特性。在軟件中建立模型定義豎向和水平荷載工況。結構前三階周期如表2所示，結構周期比滿足高規周期比小于0.9的限值要求。

表2 兩種結構動力特性結果對比

3.2 多遇地震分析

采用PKPM軟件對兩種結構在地震作用及風荷載作用的層間位移角和位移比進行驗算。由表3可知，兩種結構的最大層間位移角、層間位移比均滿足抗震設計規范。最大位移比為規定水平力下的最大扭轉位移比[6]，均小于1.5。

表3 結構在地震作用下的響應

表4 剪力墻結構彈塑性時程分析結果

表5 框架-剪力墻結構彈塑性時程分析結果

3.3 多遇地震彈性時程分析結果

按照《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010[5]規定，該工程在進行多遇地震進行彈性時程分析時，選用5天天然波和兩條人工波，地震波峰值主方向70 cm/s2，次方向59.5 cm/s2。經驗算滿足抗震設計規范，每條時程曲線計算所得結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%。

剪力墻結構在X方向下的振型分解反應譜下的基底剪力為7955.02 kN，每條地震波下的基底剪力/振型分解反應譜的基底剪力比值在74%～108%＞65%，時程平均值為7382.96 kN，比值為93%＞80%，均滿足規范要求。Y方向下的每條地震波比值范圍是72%～110%＞65%，時程平均值為9753.72kN，比值為91%＞80%，均滿足規范要求。框架-剪力墻結構在X方向每條時程分析地震波的比值范圍68%～98%＞65%，時程平均值/振型分解反應譜為86%＞80%，Y方向每條時程地震波/振型分解反應譜比值為96%＞80%，均滿足滿足規范要求。兩種結構在彈性時程分析下的層間位移角如圖4、圖5所示，均滿足規范要求。

圖5 剪力墻結構層間位移角

3.4 大震彈塑性時程分析

采用非線性隱式動力分析軟件EPDA進行結構在大震作用下的彈塑性分析，分別對兩種結構的大震和小震情況，在軟件中直接輸入不同的地震波，檢驗結構是否滿足罕遇地震作用下彈塑性變形要求。剪力墻結構彈塑性時程分析選用兩條天然波TH2TG045、CHALFANTVALLEY-02和一條人工波RH3TG045。框架-剪力墻結構選擇兩條天然波TH028TG045、TH031TG045和一條人工波RH3TG045。持時均為30s主方向地震波峰值加速度為400 cm/s2，次方向取340 cm/s2。

據計算結果顯示，兩種結構層間彈塑性位移角均滿足規范限值，結構主要的抗側構件均未出現嚴重破壞，豎向構件一般處于彈性狀態，框架梁、連梁等耗能構建部分僅處于輕度破壞狀態，均滿足結構預定的抗震性能目標。

4 結論

本文基于人性化理念提出宜居躍層建筑，通過連體大平臺設計，在平臺上設計綠植放置健身設施，將住宅融入到大自然中。結合建筑方案設計兩種結構方式，實現住宅的全周期、可變、舒適、安全，又兼容各種活動需求。住宅內部可以采用可持續材料進行隔斷，既可回收再利用又能輕松拆卸和搬遷。對兩種結構方案進行受力分析，通過結果查看，設計連體大平層住宅在小震、中震、大震等不同工況下均保持良好的受力狀態，連接平臺躍層建筑抗震性能滿足預設的性能目標，為以后中高層宜居住宅建筑的人性化設計提供了思路和方向。