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淺談小高層住宅鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略
論文關(guān)鍵詞：小高層住宅 鋼筋混凝土 框架結(jié)構(gòu)
論文摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的繁榮，我國小高層建筑發(fā)展迅速。設(shè)計(jì)思想也在不斷更新。結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化。小高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)越來越廣泛應(yīng)用于建筑中，小高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著光明的應(yīng)用前景。我國尚未形成相應(yīng)的規(guī)范，還需要進(jìn)行大量的研究工作。
1 小高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的住宅的基本結(jié)構(gòu)形式
1.1 框架結(jié)構(gòu) 框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是開間大、靈活性好、抗震性能較好，造價(jià)較低，但由于柱截面大于隔墻厚度而造成柱角外凸，影響家具的布置和美觀，有時(shí)由于住宅中房間分隔的不規(guī)則性又造成柱網(wǎng)的難以布置。
1.2 框架一剪力墻結(jié)構(gòu) 在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻就組成了框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。它是小高層住宅中應(yīng)用比較廣泛的一種主體結(jié)構(gòu)型式。其特點(diǎn)是平面靈活，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，能使框架、剪力墻兩種有不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同發(fā)揮作用。
1.3 大開間剪力墻結(jié)構(gòu) 隨著時(shí)代的發(fā)展和人們生活水平的提高，原來建造的小開間剪力墻體系住宅在建筑功能上的局限性變得日益明顯。從強(qiáng)度方面看，小開間結(jié)構(gòu)中墻體的作用不能得到充分的發(fā)揮，并且過多的剪力墻布置還會(huì)導(dǎo)致較大的地震力，增加工程費(fèi)用，另外，由于結(jié)構(gòu)自重較大，也增加了基礎(chǔ)的投資，因此，大開間剪力墻應(yīng)運(yùn)而生。承重墻的開間達(dá)到4.5m~7.5m，進(jìn)深達(dá)到7.5m~1lm，室內(nèi)一般無承重的橫墻和縱墻，可以按照住戶的不同要求靈活分隔，隨著家庭的變化還可重新布置。
1.4 短肢剪力墻結(jié)構(gòu) 短肢剪力墻（墻肢截面高度與厚度之比為5~8的剪力墻）介乎于異形框架柱和一般剪力墻之間，由于這種結(jié)構(gòu)體系在建筑功能、結(jié)構(gòu)形式、投資效益、節(jié)能指標(biāo)等多方面效果良好，己成小高層住宅的主要結(jié)構(gòu)形式。
2 小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)
2.1 水平荷載逐漸成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素 在低層住宅中，往往是以重力為代表的豎向荷載控制著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);而在小高層住宅中，盡管豎向荷載仍對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載將成為控制因素。對(duì)某一特定建筑來說，豎向荷載大體上是定值;而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。
2.2 軸向變形不容忽視 對(duì)于采用框架體系或框架一剪力墻體系的小高層住宅，框架中柱的軸壓應(yīng)力往往大于邊柱的軸壓應(yīng)力，這就使得中柱的軸向壓縮變形大于邊柱的軸向壓縮變形。當(dāng)房屋很高時(shí)，此種差異軸向變形將會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，其后果相當(dāng)于連續(xù)梁中間支座產(chǎn)生沉陷，使連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩值和端支座負(fù)彎矩值增大。
2.3 側(cè)移成為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制指標(biāo) 與低層住宅不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移己成為小高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。隨著房屋高度的增加，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移一般與房屋高度H的四次方成正比。在設(shè)計(jì)小高層住宅時(shí)，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，而且還要有足夠的抗側(cè)移剛度，使結(jié)構(gòu)在水平荷載下產(chǎn)生的側(cè)移控制在一定的范圍內(nèi)。這是因?yàn)?①過大的側(cè)移會(huì)使人不舒服，影響房屋的正常使用。②過大的側(cè)移會(huì)使隔墻、圍護(hù)墻以及它們的高級(jí)飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞，也會(huì)使電梯軌道變形而導(dǎo)致不能正常運(yùn)行。③過大的側(cè)移會(huì)因P一△效應(yīng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，甚至因側(cè)移與附加內(nèi)力的惡性循環(huán)導(dǎo)致建筑物的倒塌。
2.4 結(jié)構(gòu)延性是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo) 相對(duì)于低層住宅而言，小高層住宅更柔一些，地震作用下的變形就更大一些。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧�，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。
3 小高層住宅鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略
3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法 當(dāng)前，在無成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析軟件的情況下，主要是應(yīng)用小高層住宅結(jié)構(gòu)分析軟件，采用人工分析進(jìn)行調(diào)整，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的方法對(duì)不同的結(jié)構(gòu)選型和布置不斷的進(jìn)行方案分析比較，以獲得比較理想的結(jié)構(gòu)方案，這是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常用的也是最簡單的優(yōu)選或者說是優(yōu)化方法。用概念設(shè)計(jì)的方法所得的方案是較合理、經(jīng)濟(jì)的，雖其費(fèi)工費(fèi)時(shí)、對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)要求較高，但這種依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工優(yōu)化的方法仍是當(dāng)前所普遍采用的主要方法。對(duì)于同一小高層住宅方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ))布置方案;確定了結(jié)構(gòu)布置的小高層住宅物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法;分析過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是唯一的;小高層住宅物細(xì)部的處理更是不盡相同等等，這些問題目前計(jì)算機(jī)是無法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己做出判斷。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過程中。
3.2 性能分析
3.2.1 抗震性能分析 對(duì)結(jié)構(gòu)體系來說足夠的承載能力和變形能力是兩個(gè)同時(shí)需要滿足的條件。結(jié)合概念設(shè)計(jì)的理念，對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行對(duì)比分析，電算程序可以采用中國建筑科學(xué)研究院編制的結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件SATWE。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的承載能力，還要求其有適當(dāng)?shù)膭偠�。高層結(jié)構(gòu)的使用功能和安全與其側(cè)移的大小密切相關(guān)，過大的側(cè)向變形會(huì)使隔墻、維護(hù)墻及其飾面材料出現(xiàn)裂縫或損壞。結(jié)構(gòu)分別按考慮5%的偶然偏心和雙向地震力作用的不利情況計(jì)算出各結(jié)構(gòu)體系層間位移角，剪力墻結(jié)構(gòu)小于框剪結(jié)構(gòu)，但均小于規(guī)范要求，且富裕量較大，說明兩種結(jié)構(gòu)體系滿足剛度要求。
但就使用性能方面，剪力墻結(jié)構(gòu)由于墻體太多，結(jié)構(gòu)自重大，導(dǎo)致了較大的地震作用，混凝土和鋼材用量也較高;同時(shí)也增加了基礎(chǔ)工程的投資，而且限制了建筑上的靈活使用。而框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是平面使用靈活，適用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理，能使框架、剪力墻兩種有著不同變形性能的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)很好地協(xié)同發(fā)揮作用。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。由框架構(gòu)成自由靈活的使用空間，容易滿足不同建筑功能的要求;同時(shí)剪力墻具有相當(dāng)大的抗側(cè)移剛度，從而使框一剪結(jié)構(gòu)具有較好的抗震能力，也大大減少了結(jié)構(gòu)的側(cè)移。
3.2.2 經(jīng)濟(jì)性比較 我們通過對(duì)三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)直接費(fèi)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)單位面積直接費(fèi)相差不是很多，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)最大，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)最小，其中短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)比框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)高出12.5%，比大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)高出7.3%，大開間剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)比框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的單位面積直接費(fèi)高出4.9%。三種鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)的次要項(xiàng)目造價(jià)基本相同。單位面積造價(jià)框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的最小，框架一剪力墻結(jié)構(gòu)的次之，短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的稍微較大，三種結(jié)構(gòu)體系直接費(fèi)最大相差不到45元/m2元。
4 結(jié)語
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平進(jìn)一步提高，用戶對(duì)住宅的功能提出更高的要求，人們希望建筑物在使用過程中具有更大的靈活性，能夠適應(yīng)多功能變換的需求。因此，設(shè)計(jì)單位在拿到開發(fā)單位的設(shè)計(jì)意圖后，應(yīng)本著經(jīng)濟(jì)美觀，安全適用的原則多為社會(huì)設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)：
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