建筑住宅结构设计

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摘 要：如今,小高层住宅大量涌现,如何在设计过程中使结构方案经济合理已成当务之急.本文结合工程实例及多年住宅设计经验,介绍了结构总体指标的控制措施,可供结构设计人员参考.

关 键 词：建筑住宅结构设计概念设计基础设计

1.概念设计的意义

概念设计的重要性,主要体现在三方面：一是因为现行的结构设计理论与计算理论存在许多缺陷或不可计算性.为了弥补计算理论的缺陷,或实现对实际存在的大量无法计算的结构构件的设计,都需要用概念设计来满足结构设计的目的.二是由于在方案设计阶段,初步设计过程是不能借助于计算机来实现的.这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念,选择效果最好、造价最低的结构方案.概念设计在设计人员中提得比较多,但往往被人们片面地理解,认为其主要是用于一些大的原则,如确定结构方案、结构布置等.其实,在设计中任何地方都离不开科学的概念作指导.三是由于计算机计算结果的高精度,容易给结构设计人员带来对结构工作性能的误解,过分地依赖于计算机和设计软件,进行习惯性、传统的结构设计,对计算结果明显不合理、甚至错误的地方不能及时发现,使许多的建筑结构留下安全隐患.因此,概念设计在结构设计中具有重要的地位.

2.总体指标控制

计算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下,结构的振型曲线,自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中,总体指标对建筑物的总体判别十分有用.若刚度太大,周期太短,导致地震效应增大,造成不必要的材料浪费；但刚度太小,结构变形太大,影响建筑物的使用.合理的刚度是多少,建议对于小高层住宅取μ/H等于1/2500～1/3500,刚重比在10～15之间是比较合理的.

因此,在小高层建筑房屋中,结构构件宜采用高强度材料,非结构构件和围护墙体应用轻质材料.减轻房屋自重,既减小了竖向荷载作用下构件的内力,使构件截面变小,又可减小结构刚度与地震效应,不但能节省材料,降低造价,还能增加使用空间.

3.基础设计

研究地基基础对建筑抗震能力的影响,作出恰当的选择,已成为高层建筑结构设计的重要部分,基础是房屋的根基,是房屋中极为重要的组成部分,一幢房屋如果没有一个坚实可靠的基础,再好的上部结构也不可能正常发挥其作用,甚至可能导致上部结构的破坏与倾斜.筏板长度的设置也须研究探讨,由于考虑地下室的使用合理性,常规采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝,后浇带的作用是明显的,但也给施工带来了不少麻烦,甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝.而有些高层,长宽均达100m以上,中间就设置几条后浇带,也没有其他措施,这样是不妥当的.

4.剪力墙设计

1）布置：剪力墙布置必须均匀合理,使整个建筑物的质心和刚心趋于重合,且x,y两向的刚重比接近.结构布置应避免一字形剪力墙,若出现则应布置成长墙（h/ω>8）；应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上,若无法避免,则剪力墙相应部位应设置暗柱,当梁高大于墙厚的2.5倍时,应计算暗柱配筋,转角处墙肢应尽可能长,因转角处应力容易集中,有条件两个方向均应布置成长墙；规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比8倍以下为短墙,大于8倍则为普通墙,这就引起高厚比为7.9倍及8.1倍的两种墙的受力特性截然不同,而配筋亦大相径庭,这显得比较机械而不合理,因此建议布置长墙时高厚比能大于8.5.

2）配筋及构造：对于小高层住宅来说,剪力墙是面广量大的,因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用.

剪力墙墙体配筋（以200厚墙体为例）一般要求水平钢筋放在外侧,竖向钢筋放在内侧.配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可.建议加强区（φ10@200,非加强区φ8@200双层双向即可,双排钢筋之间采用φ6@600×600拉筋,但地下部分墙体配筋则另当别论.因为地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制,而由于简化计算经常由竖向筋控制,此种情况下为增大计算墙体有效高度,可将地下部分墙体的水平钢筋放在内侧,竖向钢筋放在外侧.地下部分墙体钢筋保护层按《地下工程防水技术规范》第4.1.6条规定：迎水面保护层应大干50mm,且在保护层内按《混凝土结构设计规范》第9.2.4条规定增设双向钢筋网片.在这种情况下,很多设计人员在进行外墙裂缝验算时有效截面高度仍按保护层50mm计算是不妥当的.当采取了双向钢筋网片后,计算保护层厚度至少可按30mm来取值,这对节省墙体配筋效果相当明显.

剪力墙按规范应设置边缘构件,一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件；其余剪力墙应按《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.17条设置构造边缘构件.现就构造边缘构件的配筋作一点讨论.

首先要区分剪力墙的受力特性及类别,即：普通剪力墙（长墙）,短肢剪力墙,小墙肢和一个方向长肢墙而另一方向属短肢墙来区别对待配筋.对于普通剪力墙,其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率,建议加强区0.7%,一般部位0.5%；对于短肢剪力墙,应按高规第7.1.2条控制配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%；对于小墙肢其受力性能较差,应严格按高规控制其轴压比,宜按框架柱进行截面设计,并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%,一般部位1.0%；而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体,设计中往往就按长肢墙进行暗柱配筋,这并不妥当,建议采取以下两种方法：

1）计算中另一方向短肢不计入刚度,则配筋可不考虑该方向短肢影响；

2）计算中短肢计入刚度,则配筋中应考虑该方向短肢的不利影响.建议该短肢配筋率适当加强,可参考短肢墙加强区1.0%,一般部位0.8%.

剪力墙中的连梁跨度小,截面高度大,在地震作用下弯矩、剪力很大,有时很难进行设计,如果加大连梁高度,配筋值有时反而更大.连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高.对于门洞,上述所示情况梁的高度是一样的；但对于窗洞,连梁高度如果从窗洞算到上一层窗底,有时则高度太高,这样高跨比太大,并且与计算图形不符,相应配筋亦较大,不合理.建议连梁高度计算与设计统一规定从洞顶算到楼板面或屋面,对于窗洞楼面至窗台部分可用砖或其他轻质材料砌筑.对于窗台有飘窗时,可再增加一根梁,两根梁之间用砖填充.连梁配筋应对称配置,腰筋同墙体水平筋.

目前,各设计院在剪力墙的楼层处均设置暗梁,而对暗梁的作用及配筋亦各有理解.对于框架一剪力墙结构,如剪力墙周边仅有柱而无梁时,则设置暗梁,并且要求剪力墙两端是明柱,这是因为周边有梁柱的剪力墙,抗震性能比一般剪力墙要好.剪力墙结构则没有这方面的要求,在墙板交接处设置暗梁对加强墙体整体性作用还是有的,但究竟有多大则无从确定.因此认为,就目前而言,在楼层位置设置暗梁是可行的,但没有必要设置太大断面及配筋,建议底部加强区断面可取墙厚×300,配筋上下各2φ16,一般部位断面可取墙厚×250,配筋上下各2φ14即可.

5.结束语

小高层设计时,做好概念设计,根据房屋的建造地点,平立面体形,层数多少,在满足安全性、耐久性与舒适性要求的前提下采用合理的结构体系.在构件设计中精打细算,严格执行规范构造要求对于整个建筑物,保证安全,降低造价影响巨大,这也是在今后设计中应该不断提高和改进的.