浅析高层剪力墙住宅结构设计

2022-09-11

随着社会经济的发展, 城市居民对商品房的需求越来越大。如何在保证相应的居住环境和居住条件的前提下使有限的建设用地产出更多的建筑面积, 使得居民对各类行住房的需求尽可能的得到满足, 同时又使开发商在进行商品房开发时获利?针对这些问题, 在城市的商品房开发建设中建造部分高容积率的高层住宅成了一种行之有效的解决方法。也因此高层住宅越来越多地出现大中城市的新建居民区中。随着高层住宅的大量出现, 作为其整个建设的重要组成部分, 高层住宅的建筑设计越来越受到包括开发商和业主在内的各有关方面的重视。而作为建筑设计不可或缺的部分——结构专业设计也显得愈加重要起来。

说到结构设计, 首先面临的问题就是结构选型。一般来说, 对于高层结构应根据建筑使用功能、房屋高度和高宽比、抗震设防类别、抗震设防烈度、场地类别、地基情况、结构材料和施工技术条件等因素, 综合分析比较, 选择适宜的结构体系。而作为高层住宅, 由于住宅的特点——平面开间及空间不大, 平面布局及功能一经确定则大幅改变的可能性很小等, 由此确定大多数高层住宅均采用剪力墙结构体系。剪力墙结构的特点就是承受竖向荷载及水平荷载的能力都较大, 整体性好, 侧向刚度大, 水平力作用下侧移小, 并且由于没有梁、柱等外露与突出, 便于房间内部布置。

在高层剪力墙结构的设计中又分为了竖向传力构件设计和水平传力构件设计。下面就以某高层住宅设计中针对该项目具体的情况进行的两版结构设计方案 (分别称为方案一、方案二) 为例, 对上述两个方面进行具体分析比较。

1 项目情况综述

本工程位于某市城区东北部。地下一层, 地上26层。结构形式为全现浇钢筋混凝土剪力墙结构。采用天然地基, 场地类别为Ⅱ类, 场地土类型为中硬场地土, 非液化稳定场地。根据国家地震局批准的地震烈度区划图及相关国家规范, 本工程抗震设防类别为丙类, 结构安全等级为二级, 抗震设防烈度为7度 (设计基本地震加速度值为0.15g) , 设计地震分组为第一组。剪力墙抗震等级为三级。

注:图中黑色填充所示为钢筋混凝土墙体, 细实线为连梁, 细虚线为弱连梁或次梁。

注:表中所列自振周期为第一振型自振周期。

2 竖向传力构件设计

竖向传力构件在钢筋混凝土剪力墙结构中就是钢筋混凝土墙体。其设计的第一步就是墙体的平面布置确定。在方案一中采用了大开洞剪力墙加弱连梁局部次梁布置。平面布置见图1;在方案二中采用了正常开洞剪力墙加平面次梁布置。平面布置见图2。

其中方案一中钢筋混凝土墙体的厚度自地下一层至十八层为250mm, 十九层至二十六层为外墙250mm、内墙200mm。方案二中钢筋混凝土墙体的厚度自地下一层至三层为200mm, 四层至十四层为180mm, 十五层至二十六层160mm。经过整体计算分析, 现将相关数据列于表1中。

由表1可以看出方案二中的结构布置使得结构在自振周期延长的同时又降低了自重, 从而起到了减小地震作用的良好作用。而由于方案二较多的采用了正常开洞剪力墙, 则结构整体刚度反而略有提高, 只是方案二中墙轴压比略高于方案一但也在规范允许范围内。对于墙体构件设计时, 由于方案一采用了大开洞剪力墙则要求其墙肢就要相对更加增强, 同时其与方案二相比更容易出现小剪跨比墙肢, 从而降低了墙肢的延性, 对抗震不利。在墙体配筋方面, 由于方案二采用了较薄的墙体, 则可配置较少的钢筋就达到构造配筋的要求;又因其为正常开洞墙而无需对墙体要求更为增强, 所以其墙体配筋满足正常设计构造要求即可。这样既保证了墙体的弯曲延性又节约了造价, 使得设计更为合理。

3 水平传力构件设计

在剪力墙结构中水平传力构件就是由梁板组成的楼盖体系。其作用是垂直方向, 它通过抗弯起着支承楼、屋面荷载的作用;在水平方向, 他起着隔板和连接竖向构件的作用, 并成为抗侧力体系中的一部分。

就本工程两方案而言, 方案一中除在5100×4050mm2开间采用了120mm厚板外, 其余均为100mm厚板;而方案二则是南侧5100mm进深的板采用120mm厚, 其余采用100mm厚板。而在平面布局中, 方案二采用了尽可能大的板跨, 加宽了抗倾覆力矩的力臂, 使其承受的重量直接传递给最外边缘的竖向构件, 从而达到提高延性的目的。而且方案二中连梁和楼面此两分开设置, 使得受力和传力体系更为明确和合理。同时, 方案二在增加小局部板厚的情况下减少了楼面梁的数量, 使得在混凝土和钢筋的用量都有所降低。由于采用了大开间的布局和适当增加板厚, 也为建筑平面布局的灵活和公用专业板内管线的敷设提供了更大的便利。