浅谈小高层住宅结构设计

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【摘 要】随着我国经济的快速发展，房地产行业也越来越火爆，小高层的数量也不断增加。而如何在设计过程中使结构经济合理，已经成为当今设计中的当务之急。本文作者结合自己多年设计经验，提出了小高层住宅的几种结构形式，分析了结构超限问题。并结合工程实例介绍了小高层住宅结构设计,以供读者参考。

【关键词】小高层住宅；结构形式；结构超限

引言

近几年来, 随着我国房地产行业的火爆，人们对住宅平面与空间的要求也越来越高，小高层建筑形式不断涌现。我们知道，建筑的住宅布置有时候考虑立面造型和内部使用空间，会使结构产生一些不合理之处。例如结构的刚度偏心和扭转及平面不规则等，这些情况对结构受力及抗震均不利。因此，我们在做设计时，尽量在平面布置和构造设计上使结构更趋合理，且要做到经济合理。

1 小高层住宅的几种结构形式

小高层住宅结构形式也多种多样，主要有以下几种：

1.1 框架结构

框架结构优点主要是结构布置灵活，较大的室内空间，尤其是底层空间可以较大，使用较为方便。缺点是框架柱截面很大且突出墙体，直接影响到户型的实际使用面积及家具布置。且建筑平面布置需要十分规则。

1.2 异形柱框架结构

异形柱框架结构特点类似于框架结构，且柱宽与墙厚相同。解决了室内空间使用的问题。缺点是此种结构形式太柔对抗震不利，房屋适用高度很低。

1.3 框架剪力墙结构

框架剪力墙结构较多的用在高层结构中。外部框架结构主要承受竖向力，框架布置灵活。电梯井为剪力墙承受大部分水平荷载。此种结构形式比较适合于商业和商住等有大空间需求的建筑。缺点也是外露的框架柱会影响使用。

1.4 剪力墙结构

剪力墙结构是根据建筑平面布置设置钢筋混凝土剪力墙，无外露柱子很好满足了建筑平面的使用要求。缺点是结构刚度大、自重大、地震反应大。建筑和结构布置不合理的话也会增加钢筋用量。

1.5 短肢剪力墙结构

短肢剪力墙结构是一种剪力墙墙肢较短的特殊剪力墙结构，短肢剪力墙结构布置十分灵活，结构特点也和剪力墙结构类似。在非地震区和地震烈度较低的地方短肢剪力墙结构要更为经济。

2 工程实例

2.1 工程概况

本工程为一幢14 层小高层住宅(局部11层)，长54.12m，宽14.4m。设计使用年限50a，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，地震分组为第1组，设计基本地震加速度值为0.10g，建筑场地类别为Ⅳ类，场地特征周期为0.9 s，基本风压0.55 kN /，地面粗糙度为B 类。局部有错层为商业用房。

2.2 基础设计

一般高层、小高层建筑考虑基础埋深的要求1/18建筑物高度，通常设置地下室采用桩筏基础。本工程房屋高度40.55m，基础埋深(按室外地坪算) 2.55m。综合考虑各方面原因未设置地下室,基础采用桩基础，承台为互相联通的基础梁。桩基础按常规设计，在桩的混凝土总量相近的情况下尽量选用承载力较高的桩型，使得桩完全位于剪力墙下部，能减少地基梁的钢筋用量。

作用在基础底面的竖向总荷载基本组合170935.2 kN、准永久组合137 556.7 kN、水浮力3 875.1 kN。桩采用PHC400管桩，桩长31m，桩基持力层为草黄色～灰黄色粉砂层，单桩承载力设计值1100 kN，总桩数159 根，计算中心沉降量143.6mm。

2.3 上部结构设计

2.3.1 结构选型

本工程为一般的小高层住宅建筑，局部有两层小商业(图中阴影部位)。根据混凝土结构设计规范9.1.1条规定，现浇剪力墙结构伸缩缝最大间距45m。以及高规4.3.3条A 级高度高层建筑规定6、7度时长宽比不大于6的要求。上部结构设置一条抗震缝将结构分为两部分。

图1 平面布置图

考虑到建筑平面的实用性，以及建筑商业部位并无大空间要求，上部结构采用剪力墙结构形式。由于小商业部位有三层错层结构，整个建筑长方向开洞较多，为了满足建筑物整体刚度需要本工程采用普通剪力墙结构。且根据工程经验7度区14层小高层普通剪力墙建筑剪力墙配筋多为构造配筋。如果采用短肢剪力墙结构的话，底部加强层及其上一层的短肢剪力墙抗震等级须提高一级按二级抗震考虑，其端部须设置约束边缘构件，约束边缘构件纵向钢筋配筋率为1.0%(二级抗震)配箍率特征值为0.20，远大于构造边缘构件的0.5% 和0.1，也不是很经济。另外，本建筑局部有错层，属于复杂高层。

2.3.2 结构设计、计算

剪力墙依据建筑平面布置，平面布置尽量均匀、对称，减少结构扭转；竖向布置要连续，避免结构刚度突变。不过由于建筑平面的限制也有一些对结构不利的地方:

（1）在1～3层局部有错层，使得结构在错层处存在一定的偏心，产生了一定的扭转。

（2）端部开窗，且在端部形成一字墙，整栋楼也有一定数量一字墙。这种单方向墙体平面外受力很差。

（3）平面布置中形成了凹口，且凹进尺寸超过了结构宽度的30% 形成了平面不规则，不利于抗震。

根据本工程实际情况，结构设计按以下几个方面考虑:

（1）剪力墙布置尽可能多布置长宽比大于8的一般剪力墙，且多布置T形、L 形、槽形墙体，尽量避免单方向墙体，使得剪力墙双向受力均匀。剪力墙厚度为200mm，错层处250mm。

（2）在凹口处设置拉梁、拉板消除大的凹口。

（3）在错层处适当增加楼板厚度，且双层双向配筋。

（4）加强角部开洞处墙体配筋及构造, 转角处楼板适当加厚, 且双层双向配筋。

结构各项计算指标:

（1）结构位移按底层1/2500其余1/1000控制。计算值左侧结构X 向位移底层1/5992, 其余楼层X 向最大值层间位移角1/1167，Y向位移底层1/8995, 其余楼层Y 向最大值层间位移角1/1320; 右侧结构X 向位移底层1/5393, 其余楼层X 向最大值层间位移角1/1045, Y 向位移底层1/6159, 其余楼层Y向最大值层间位移角1/1088。

（2）刚重比。左侧结构X 向刚重比13.28, Y向刚重比18.42；右侧结构X 向刚重比11.25, Y向刚重比12.13。左侧结构Y向刚重比略微偏大。

（3）偏心率。左侧结构偏心率X 向0.030 9，Y向0.106 7，Y方向偏心率偏大；右侧结构错层处偏心率X 向0.190 5，Y向0.074 9，标准层偏心率X 向0.0073，Y 向0.1075，错层处X 向标准层Y向偏心率偏大。

（4）周期。左侧11层结构周期0.927 0；右侧14层结构周期1.160 6。在合理范围之内。

（5）最大位移与层平均位移的比值全部不超过1.2，结构整体无扭转不规则。

（6）左侧结构底层短肢墙倾覆弯矩百分比为X 向26.53%，Y向15.80% ；右侧结构底层短肢墙倾覆弯矩百分比为X 向30.52%，Y向29.85%。

本工程对于高厚比大于8以及高厚比为5～8之间的剪力墙按照高规要求配筋, 高厚比小于3的剪力墙按柱配筋，高厚比3～4 之间的参照异形柱规程配筋，高厚比4～5之间暂无相关规范也参照异形柱规程配筋。

剪力墙结构中的连梁跨度小截面高度大，在地震作用下弯矩、剪力很大，经常会出现配筋不能满足计算的情况。设计中尽量控制连梁的高度,一般取为楼层面至洞口顶部，窗台下部采用砌体材料砌筑。对于凸窗则在窗台下再设置一根梁，两个梁之间用砌体材料砌筑。连梁的配筋采用对称配筋，墙体水平分布筋作为连梁的腰筋；连梁高度大于700mm时腰筋直径不小于10mm，间距不大于200mm；跨高比不大于2.5的连梁腰筋的配筋率不小于0.3%。

3 结构超限问题

结构设计十分强调概念设计。适合的结构选型、抗震构件的合理布置，把握住关键部位和次要部位，并掌握构造要求。对结构的安全性、经济性、合理性至关重要。本工程也有部分涉及到超限问题, 对结构的经济性也有一定的影响。

根据抗震规范以及吕西林主编的《超限高层建筑工程抗震设计指南》。超限高层主要分为建筑物高度超限和建筑物规则性超限。具体认定标准可查阅《超限高层建筑工程抗震指南》一书。本工程涉及内容为: (1)结构平面凹进或凸出的一侧尺寸(从抗侧力构件截面中心线算起)大于相应投影方向总尺寸的30%; (2)结构体系属于《高规》第10章定义的复杂高层建筑结构。（本工程指带有错层高度小于1200mm 的错层结构）。

右侧结构中投影宽度为1.6 + 9.1 + 1.5 =12.2m, 凹进尺寸为2.9 + 1.6= 4.5m，凹进尺寸大于投影宽度的30% 而小于投影宽度的40%。由于本工程只占有两项小超限情况，整体可以判定为建筑物规则不超限。只需对这两项采取相应的加强措施即可。

图2右侧结构平面尺寸(单位: mm)

不过对于平面凹凸不规则的判定笔者有一些想法。在现在的住宅建筑中，楼梯间局部平面凸出和两个单元连接处的凹进是非常普遍的情况。而在凹凸不规则判断中有以下两种典型情况，具体见图3。

假定有一住宅平面结构如下图所示。如按凹进不规则考虑则为(2+2)÷12 =33.3%，就属于一项小超限，其它情况还有可能凹进量大于40%直接造成建筑物规则性超限。我个人认为凸出的楼梯间范围很小，只占结构长度很小的一部分(2+ 2)÷30=13.3% 。如果按照凸出不规则和凹进不规则分别计算的话则为凸出2÷12=16.7% 凹进2÷10=20% 则不超限。规范的计算方法偏于安全。

图4假定住宅结构平面(单位: mm)

如果本工程按此方法计算，考虑下部凸出部分为凸出不规则，那么凹进量就为4.5÷( 1.6+9.1)=42.1%。规范的计算方法又偏于危险了。

因此笔者认为不规则判断方面还应该考虑凹凸面在建筑物长度方向的尺寸。当然这些只是在方案阶段的初步考虑，最后设计时还是要以具体的计算数据为主。

4 结束语

以上为笔者在小高层住宅结构设计的一些思路和想法，欢迎大家批评指正。现在的住宅基本为商品房，如何在设计过程中使结构经济合理已经成为当务之急。因此我们在结构方案设计中必须强调概念设计，在平面布置上使结构更趋合理；在初步设计中进一步完善细化方案；在施工图设计中做到精确细致，构造准确。力求整个结构设计安全、经济、合理。

参考文献:

[1]吕西林. 超限高层建筑工程抗震设计指南[M]. 上海:同济大学出版社, 2005。

[2]肖燕武. 浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报,2007,35:107。

[3]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002[S]1 北京：中国 建筑工业出版社，2002.1。

[4]郑筱洁. 浅谈建筑结构设计的几点体会.[J]. 福建建筑，2009，（06）。

[5]王宝儒.浅谈房屋结构设计中应注意的几个问题.[J].山西建筑，2010（01）。

作者简介：杨忠，男，1970.03出生，工程师，现于安徽省医药设计院从结构专业设计工作。