摘要:文章筆者結(jié)合多年的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工程實(shí)際，分析了小高層住宅樓結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　關(guān)鍵詞:小高層結(jié)構(gòu),短肢剪力墻,設(shè)計(jì)
　　
　　1工程概況
　　該工程為一幢小高層住宅樓建筑,地上一共9層,層高約為3m;第9層上面有一個(gè)躍層為第10層,局部突出屋面部分為電梯機(jī)房。建筑的總面積一共為4338.21m2,該建筑的總高度為27.7m。該工程的建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí),抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,地面粗糙度為C類,基本風(fēng)壓值取值0.35kN/㎡,場(chǎng)地土類別為Ⅱ類。
　　2結(jié)構(gòu)方案布置
　　原結(jié)構(gòu)方案采用一般的剪力墻結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)形式對(duì)于房屋高度不太大的小高層建筑來(lái)說(shuō),這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成剛度過(guò)大,重量增加,導(dǎo)致地震反應(yīng)過(guò)強(qiáng),使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高。所以,為了有效提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo),經(jīng)多方案論證,決定采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系。
　　在本住宅結(jié)構(gòu)平面布置中,盡量使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ。短肢剪力墻雙向布置,盡量拉通、對(duì)直。豎向布置中,力求規(guī)劃均勻,避免有過(guò)大的外挑、內(nèi)收,以及樓層剛度沿豎向突變,使整個(gè)房屋的抗側(cè)剛度中心靠近水平荷載合力的作用線,以免房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)。根據(jù)建筑的平面布置,在房間、樓梯間、電梯間的四角,采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)注意同周期的關(guān)系,使結(jié)構(gòu)的第一自振周期避開(kāi)場(chǎng)地土的卓越周期,以免地基與結(jié)構(gòu)形成共振或類共振,既保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi),又要保證建筑物有相對(duì)合理的自振周期,做到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、合理且實(shí)用。
　　本方案根據(jù)上述建議經(jīng)過(guò)多次調(diào)試,得到了4種結(jié)構(gòu)方案。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為100mm。剪力墻、梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25。主要連梁的尺寸大都為200mm×400mm。標(biāo)準(zhǔn)層樓板厚度為120mm,頂層樓板厚度為150mm。有別于肢長(zhǎng)肢厚比不大于4.0的異形柱,短肢剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比按規(guī)范要求控制在5～8范圍內(nèi),一般剪力墻的肢長(zhǎng)肢厚比均大于8。值得注意的是,對(duì)肢長(zhǎng)肢厚比為4～5范圍內(nèi)的墻肢,目前規(guī)范尚無(wú)明確條文規(guī)定其構(gòu)件類型,故設(shè)計(jì)時(shí)建議不要采用。
　　由于原方案的剪力墻過(guò)多,使底部剪力過(guò)大,使結(jié)構(gòu)很不經(jīng)濟(jì),同時(shí)布置了少量鋼筋混凝土柱子,使結(jié)構(gòu)不是很合理。故方案1在原方案的基礎(chǔ)上去掉了構(gòu)造柱并減少了少量的剪力墻。在方案1基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)臏p少一些剪力墻,從而使方案更經(jīng)濟(jì),在調(diào)試過(guò)程中由于F軸剪力墻較少,從而使電梯間X方向的剪力墻承受過(guò)大的剪力造成超筋,故把電梯間X方向的剪力墻開(kāi)洞口,使結(jié)構(gòu)X向的剛度減少。方案3是在方案2的基礎(chǔ)上改善了Y方向的剛度,使兩個(gè)方向的剛度相接近,使結(jié)構(gòu)更合理且均勻?qū)ΨQ。
　　在方案3的基礎(chǔ)上把Y方向的一些T型剪力墻變成一字型,雖然在多高層住宅設(shè)計(jì)中剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量避免一字型,但由于該結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況,所某小高層住宅樓的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了部分一字型3上部結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算結(jié)果分析
　　3計(jì)算結(jié)果分析
　　從構(gòu)件力學(xué)特性上來(lái)說(shuō),短肢剪力墻的肢長(zhǎng)與肢厚比≥5.0,更接近于剪力墻,故計(jì)算時(shí)將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。因此,結(jié)構(gòu)整體計(jì)算采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的SATWE程序進(jìn)行。SATWE采用的是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有六個(gè)自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度,可以較好地模擬工程中剪力墻的真實(shí)受力狀態(tài),計(jì)算結(jié)果較精確;同時(shí),對(duì)樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則,立面也無(wú)剛度突變現(xiàn)象,但由于剛度較大的電梯井處筒體有點(diǎn)偏置,會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的影響,為了計(jì)算準(zhǔn)確,地震作用計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏的影響,取了27個(gè)振型計(jì)算。
　　1)自振周期的控制
　　考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的自振周期(計(jì)算時(shí)自振周期折減系數(shù)取0.8)可得,方案4結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3=0.9959s,平動(dòng)為主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.854<0.9,滿足(JGJ3-2002)第4。3。5條的規(guī)定。
　　2)結(jié)構(gòu)位移的控制
　　最大層間位移角(應(yīng)≤1/1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不3宜大于1.2,不應(yīng)大于1.5)。從中可以看出,結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。
　　3)剪重比控制
　　剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標(biāo)之一,地震力計(jì)算不能偏大,但也不能太小。因?yàn)槎讨�剪力墻本身抵抗地震的能力較差,如果短肢剪力墻分配的地震力太大,則很有可能不滿足要求。本工程X方向的最小剪重比為4.50%,Y方向的最小剪重比為4.62%,根據(jù)“抗震規(guī)范”(5.2.5)條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為3.20%,所以各層均滿足要求。
　　4)軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力，“規(guī)范”對(duì)短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。上述工程出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比在0.20～0.45之間,軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值。
　　3.1結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)分析
　　為了與工程實(shí)際情況相符,假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比,鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價(jià)上,暫不考慮模板及樓板等工程的造價(jià)影響。材料的單方造價(jià)混凝土為430元/m3,鋼筋4200元/t。可見(jiàn)方案4比原結(jié)構(gòu)在總造價(jià)上要節(jié)約178%。使材料得到了充分的發(fā)揮。
　　4結(jié)語(yǔ)
　　本文針對(duì)某居民住宅樓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在比原設(shè)計(jì)方案節(jié)省投資17.8%的情況下,使結(jié)構(gòu)受力更合理,整體變形能力和結(jié)構(gòu)吸能能力對(duì)抗震更為有利。此工程剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點(diǎn)處的墻肢,因而設(shè)計(jì)時(shí)在以上部位布置L型或一字型短肢墻,受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻,設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格控制其軸壓比<0.6,且相差不應(yīng)太懸殊,避免墻肢應(yīng)力差異過(guò)大。高層建筑中的連梁是一個(gè)耗能構(gòu)件對(duì)抗震不利。多、高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中允許連梁的剛度有所下降。但應(yīng)注意短肢剪力墻結(jié)構(gòu)中,墻肢剛度相對(duì)較小,連接各墻肢的梁已類似普通框架梁,而不同于一般剪力墻間的連梁,不應(yīng)在計(jì)算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調(diào),使其設(shè)計(jì)內(nèi)力降低,應(yīng)按普通框架梁的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。