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【摘 要】在进行小高层设计时如何把握好各种形式应用的合理性及经济性至关重要。设计人员应该在满足国家强制性条文和规范的要求下,依据建筑物所在地区的地质条件,合理把握关键部位及次要构件,来选择合适的结构类型。
【关键词】高层;住宅;结构设计;建筑设计
0.引言
在兼顾资源环境，兼顾舒适宜居，兼顾技术经济性等方面，钢结构小高层板式住宅有其独特的优势。而对于钢结构小高层板式住宅的技术经济性研究是一个复杂的系统工程，涉及到住宅的安全性、耐久性、适用性、环境性以及可持续发展等诸多因素。钢结构小高层特别是采用钢管混凝土柱的钢框架-剪力墙结构小高层板式住宅具有良好的抗震性能，适合在这样的地区使用，如果把这些因素考虑进去，对钢结构小高层板式住宅的综合评价会更加全面。本文着重从设计实际和技术经济分析入手对钢结构小高层板式住宅进行了研究和分析。
1.框架结构
框架结构一般适用于多层结构和小高层结构,适用高度范围在60.0m以下(6度设防)。框架结构具有布置灵活、可以有较大的室内空间等特点。填充墙采用轻质隔墙可以减轻结构自重,但是框架柱内凸会影响户型的实际使用面积,并影响家具的布置,有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。《高规》在第4.8.2条中规定,对高度大于30.0m的框架结构建筑,在抗震为6度设防的地区,抗震等级为三级,sATwE程序计算结果为:在水平荷载(风荷载及地震荷载)作用下,水平位移与层间位移比为最大(1／1200);由于框架柱作为唯一的抗水平力构件,轴压比限值为0.90,故框架柱截面尺寸较大。并且由于建筑的造形或使用的要求,会形成框架的一端位于柱上、另一端位于梁上的现象,或几根框架柱不在同一条轴线上,形成单跨框架现象,从而成为抗震的薄弱环节。在需要考虑到抗震设防要求的结构设计中,由于框架梁柱截面比较小,刚度比较低,抗震性能又差,如果采用砌体填充墙,在地震中会损坏严重并且修复费用高,所以对高层结构不宜采用。
2.异型柱框架结构
这种结构形式派生于框架结构形式,具有框架结构的特点,此外,它与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。据《混凝土异型柱结构技术规程》JGJ1492006第3.1.2条规定:抗震设防为6度时,异型柱结构适用于高度为24m以下的房屋。由于异型柱在受力性能方面(比如受剪承载力、节点承载力以及延性等)比普通矩形柱差,它无法满足比较高的建筑物在抗侧力以及轴力等方面的要求。所以,相对来说异型柱框架结构在抗震性能方面是最差的一种结构形式。但由于能够解决住宅室内无柱角的问题,在多层中还是有比较好的应用市场。
3.普通剪力墙结构
普通剪力墙结构一般用于高层住宅的结构设计,尤其是在30层左右的高层结构中广泛应用。这种结构形式的特点是根据建筑平面布局来设置钢筋砼墙,使用剪力墙以解决建筑平面的使用问题。它的优点是整体刚度大,抗震性能好,水平位移小,居住舒适。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,否则对结构受力及抗震均不利。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;但如果刚度太小,结构变形太大,则会影响建筑物的使用。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。
4.框架剪力墙结构
在近几年的高层结构设计中,框架剪力墙结构形式应用比较广泛。这种结构形式既具备框架结构布置灵活的优点,又具备较好的抗震性能,缺点是其框架柱的内凸也会影响到户型的使用面积及家具的布置。在这种结构形式中,由于框架柱主要承受竖向荷载,轴压比限值较框架结构有所放宽,但是考虑到框架柱的构造要求,若在实际计算中轴压比大于0．90,柱配筋则可能比较大,所以与框架结构一样存在上述的建筑使用问题。
5.异型柱框架剪力墙结构
这种结构形式派生于框架剪力墙结构形式,与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。在抗震方面,异型柱主要承受竖向荷载,水平位移及层间位移大大减小,但是异形柱的肢长较短,所以当建筑物较高时,异形柱无法满足轴力和抗侧力的要求。以抗震为6度设防的地区为例,建筑物高于18.0m抗震等级即为三级,框架剪力墙结构的总高度要小于45.0米,柱中距要小于7.20米,这点比框架结构的60.0米上限的要求严格。
6.短肢剪力墙结构
这种结构形式的特点是根据建筑物平面布置的要求而在其凹凸转角处布置各种形式的短墙肢,主要有“一型、Y型、+型、T型、Z型、Y型”等各种形式。在使用这种结构形式时,结构布置极其灵活,可以将管道井、电梯间和楼梯间等部位四个侧面的剪力墙均布置短肢剪力墙,也可以根据需要布置一些长肢墙,所以基本上能满足建筑物的使用布置和竖向受力要求。不过由于短肢剪力墙在抗震性能方面较弱,而且在地震区应用的经验也不多,所以为了安全起见,在抗震方面,对这种结构设计的使用范围、抗震等级、最大适用高度、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率等方面都有较严格的规定限制。目前的短肢剪力墙体系小高层建筑由于考虑埋置深度的要求,一般均设置地下室,基础则采用桩筏基础,对桩基础进行合理选型,将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。
7.结语
随着小高层住宅大量涌现,设计思想也在不断更新,小高层的建筑风格及结构体系日趋多样化,如何在设计过程中使结构方案经济合理已成当务之急。文章认为在对小高层住宅进行结构设计选型时,既要考虑到结构体系的适用性和经济性,还要充分考虑到比如抗震性能等安全性问题。本文就目前普遍采用的几种结构形式进行了探讨。什么地方应加强,什么地方可以放松,使整个建筑物既能满足建筑功能使用的合理性,又能保证安全、降低造价,这是我们在今后的在结构设计中要不断提高及改进的问题。提倡发展钢结构小高层板式住宅，并不是混凝土或其他材料不好，而是应该把材料应用在最合理的地方。钢结构小高层板式住宅是住宅建筑的一个分支，永远不会是全部。钢结构小高层板式住宅的合理性更多的是从综合效益出发考虑。搞钢结构住宅要脚踏实地做工作，要因地制宜，不能一哄而上，不能为钢结构而搞钢结构。
【参考文献】
［１］高丕基.浅谈经济适用型住宅的未来发展[J].北京建筑工程学院学报,1999,(01)．
［２］小高层住宅在大城市走俏[J].中国建设信息,1997,(06)．
［３］小高层住宅 大城市走俏[J].中国建设信息,1997,(21)．
［４］胡振宇.小高层住宅流行现象的分析[J].住宅科技,2000,(01)．
［５］周振宇,张兴武. 试谈监理工作中的图纸审查[J].河北建筑工程学院学报,2000,(01)．
［６］高景平.小高层住宅之我见[J].山西建筑,2001,(04)．
［７］贺玄科.工业锅炉房设计中存在问题的探讨[J].山西建筑,2003,(07)．
【关键词】高层;住宅;结构设计;建筑设计
0.引言
在兼顾资源环境，兼顾舒适宜居，兼顾技术经济性等方面，钢结构小高层板式住宅有其独特的优势。而对于钢结构小高层板式住宅的技术经济性研究是一个复杂的系统工程，涉及到住宅的安全性、耐久性、适用性、环境性以及可持续发展等诸多因素。钢结构小高层特别是采用钢管混凝土柱的钢框架-剪力墙结构小高层板式住宅具有良好的抗震性能，适合在这样的地区使用，如果把这些因素考虑进去，对钢结构小高层板式住宅的综合评价会更加全面。本文着重从设计实际和技术经济分析入手对钢结构小高层板式住宅进行了研究和分析。
1.框架结构
框架结构一般适用于多层结构和小高层结构,适用高度范围在60.0m以下(6度设防)。框架结构具有布置灵活、可以有较大的室内空间等特点。填充墙采用轻质隔墙可以减轻结构自重,但是框架柱内凸会影响户型的实际使用面积,并影响家具的布置,有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。《高规》在第4.8.2条中规定,对高度大于30.0m的框架结构建筑,在抗震为6度设防的地区,抗震等级为三级,sATwE程序计算结果为:在水平荷载(风荷载及地震荷载)作用下,水平位移与层间位移比为最大(1／1200);由于框架柱作为唯一的抗水平力构件,轴压比限值为0.90,故框架柱截面尺寸较大。并且由于建筑的造形或使用的要求,会形成框架的一端位于柱上、另一端位于梁上的现象,或几根框架柱不在同一条轴线上,形成单跨框架现象,从而成为抗震的薄弱环节。在需要考虑到抗震设防要求的结构设计中,由于框架梁柱截面比较小,刚度比较低,抗震性能又差,如果采用砌体填充墙,在地震中会损坏严重并且修复费用高,所以对高层结构不宜采用。
2.异型柱框架结构
这种结构形式派生于框架结构形式,具有框架结构的特点,此外,它与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。据《混凝土异型柱结构技术规程》JGJ1492006第3.1.2条规定:抗震设防为6度时,异型柱结构适用于高度为24m以下的房屋。由于异型柱在受力性能方面(比如受剪承载力、节点承载力以及延性等)比普通矩形柱差,它无法满足比较高的建筑物在抗侧力以及轴力等方面的要求。所以,相对来说异型柱框架结构在抗震性能方面是最差的一种结构形式。但由于能够解决住宅室内无柱角的问题,在多层中还是有比较好的应用市场。
3.普通剪力墙结构
普通剪力墙结构一般用于高层住宅的结构设计,尤其是在30层左右的高层结构中广泛应用。这种结构形式的特点是根据建筑平面布局来设置钢筋砼墙,使用剪力墙以解决建筑平面的使用问题。它的优点是整体刚度大,抗震性能好,水平位移小,居住舒适。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,否则对结构受力及抗震均不利。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;但如果刚度太小,结构变形太大,则会影响建筑物的使用。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。
4.框架剪力墙结构
在近几年的高层结构设计中,框架剪力墙结构形式应用比较广泛。这种结构形式既具备框架结构布置灵活的优点,又具备较好的抗震性能,缺点是其框架柱的内凸也会影响到户型的使用面积及家具的布置。在这种结构形式中,由于框架柱主要承受竖向荷载,轴压比限值较框架结构有所放宽,但是考虑到框架柱的构造要求,若在实际计算中轴压比大于0．90,柱配筋则可能比较大,所以与框架结构一样存在上述的建筑使用问题。
5.异型柱框架剪力墙结构
这种结构形式派生于框架剪力墙结构形式,与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。在抗震方面,异型柱主要承受竖向荷载,水平位移及层间位移大大减小,但是异形柱的肢长较短,所以当建筑物较高时,异形柱无法满足轴力和抗侧力的要求。以抗震为6度设防的地区为例,建筑物高于18.0m抗震等级即为三级,框架剪力墙结构的总高度要小于45.0米,柱中距要小于7.20米,这点比框架结构的60.0米上限的要求严格。
6.短肢剪力墙结构
这种结构形式的特点是根据建筑物平面布置的要求而在其凹凸转角处布置各种形式的短墙肢,主要有“一型、Y型、+型、T型、Z型、Y型”等各种形式。在使用这种结构形式时,结构布置极其灵活,可以将管道井、电梯间和楼梯间等部位四个侧面的剪力墙均布置短肢剪力墙,也可以根据需要布置一些长肢墙,所以基本上能满足建筑物的使用布置和竖向受力要求。不过由于短肢剪力墙在抗震性能方面较弱,而且在地震区应用的经验也不多,所以为了安全起见,在抗震方面,对这种结构设计的使用范围、抗震等级、最大适用高度、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率等方面都有较严格的规定限制。目前的短肢剪力墙体系小高层建筑由于考虑埋置深度的要求,一般均设置地下室,基础则采用桩筏基础,对桩基础进行合理选型,将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。
7.结语
随着小高层住宅大量涌现,设计思想也在不断更新,小高层的建筑风格及结构体系日趋多样化,如何在设计过程中使结构方案经济合理已成当务之急。文章认为在对小高层住宅进行结构设计选型时,既要考虑到结构体系的适用性和经济性,还要充分考虑到比如抗震性能等安全性问题。本文就目前普遍采用的几种结构形式进行了探讨。什么地方应加强,什么地方可以放松,使整个建筑物既能满足建筑功能使用的合理性,又能保证安全、降低造价,这是我们在今后的在结构设计中要不断提高及改进的问题。提倡发展钢结构小高层板式住宅，并不是混凝土或其他材料不好，而是应该把材料应用在最合理的地方。钢结构小高层板式住宅是住宅建筑的一个分支，永远不会是全部。钢结构小高层板式住宅的合理性更多的是从综合效益出发考虑。搞钢结构住宅要脚踏实地做工作，要因地制宜，不能一哄而上，不能为钢结构而搞钢结构。
【参考文献】
［１］高丕基.浅谈经济适用型住宅的未来发展[J].北京建筑工程学院学报,1999,(01)．
［２］小高层住宅在大城市走俏[J].中国建设信息,1997,(06)．
［３］小高层住宅 大城市走俏[J].中国建设信息,1997,(21)．
［４］胡振宇.小高层住宅流行现象的分析[J].住宅科技,2000,(01)．
［５］周振宇,张兴武. 试谈监理工作中的图纸审查[J].河北建筑工程学院学报,2000,(01)．
［６］高景平.小高层住宅之我见[J].山西建筑,2001,(04)．
［７］贺玄科.工业锅炉房设计中存在问题的探讨[J].山西建筑,2003,(07)．