某住宅建筑结构设计探讨
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摘要：本文作者结合自己多年的实际工作经验，结合具体工程实例介绍某居住区住宅工程的结构体系特点、结构概念设计、计算分析及新材料的选取，分析和讨论部分框支剪力墙结构体系的设计，包括其转换层的设计要点及薄弱部位的处理措施等问题。
关键词：住宅；建筑结构；剪力墙结构；梁式转换
1前言
在建筑结构设计中，框支剪力墙结构是指底层为框架柱，上层为剪力墙的结构。底层的框架结构可使建筑平面灵活布置，适用于商场、餐厅、会议室、活动中心等大开间的公共建筑设计；上部的剪力墙结构整体性好，侧向刚度大，水平位移小，多用于住宅、旅馆等建筑设计。两者之间的楼板为转换层楼板，需采取措施增强该层的整体性及刚性，以减小整个结构的上下刚度差异。现代化高层建筑设计趋向功能多元化，要求居住、办公、饮食、商业一体化，因此这种结构得到越来越广泛的应用。
2工程概况
某居住区建筑面积约28.6 万m2，本工程地下2 层，地面以上6栋32 层的塔楼，呈弧形分布，塔楼地面以上高99.90m。首层架空，二层为结构转换层，以上为住宅标准层，地下室连成一体，其中A1～A4塔楼地下二层为5级人防地下室。本工程为部分框支剪力墙结构，A级高度的钢筋混凝土高层建筑，属复杂的高层建筑。
3 主体结构设计
3.1 结构体系特点
(1)平面不规则：本工程整体平面布置呈圆弧形，地面以上由6 栋32 层的塔楼组成。各塔楼平面均呈“十”字型，中部圆形的钢筋混凝土简体为主要的抗侧力体系，伸出的各翼由几种不同的单元组合而成，与简体连接部分较窄，向外逐渐变宽，属于平面不规则类型。
(2)竖向不规则：地下室及首层为框剪结构，由混凝土柱及剪力墙承受竖向荷载，以上各层为剪力墙结构，由剪力墙承受竖向荷载，2层平面为结构转换层，采用梁式转换，属于竖向不规则类型。
(3)人防地下室：A1-A4 塔楼地下二层为5 级人防地下室，其顶板( 即地下一层楼板) 的等效静荷载标准值为100kPa。地下室底板则需承受地下水反压力，根据场地的地下水位及地下室的埋深，地下水位设防标高为-2.50m，底板的浮力达70kPa，需采取有效的抗浮措施。
(4)超长混凝土结构：弧形地下室整体相连，长度超过400m，必须采取有效措施防止温度应力使混凝土产生开裂。
(5)结构转换层及塔楼中筒与各翼之间的连接均为该工程的薄弱部位，其计算分析和处理措施是设计的关键和重点。
3.2 结构概念设计
本工程框支框架的抗震等级为一级，剪力墙的抗震等级为二级。
(1)为了加强整体结构刚度，本工程采用部分剪力墙框支、部分剪力墙落地的形式，形成底层大空间框架―剪力墙结构。因框支剪力墙承受的剪力大部分要通过楼板传到落地剪力墙上，故把落地剪力墙布置在各塔楼的中部，围成圆形的筒体，在转换层以下筒体外墙加厚为500，内墙为300，混凝土强度等级提高为C60，有效地加大底层剪力墙的刚度和承载力，使整个结构上下刚度差别减小，也增强了整体抗扭能力。
(2)在转换层以下的框架结构中，塔楼部分的柱子作为上部剪力墙的支承也相应被加强，采用C60、截面为800×3000、中1400 等的钢筋混凝土柱，加大底层刚度。上部的剪力墙结构，整体性较好，有较强，的抗侧力和抗扭能力，但为了避免墙体自重过大，部分剪力墙向上收窄，厚度从300 减小为250 和200，从而减少给底层框架结构的负担，有利于整体结构的稳定性。
(3)底板承受着较大的浮力，厚度取500，塔楼部分，待主体结构完成6 层后，建筑物的自重可抵消地下水反力，裙楼部分，则在柱下用抗拔桩(入岩深度53000)抵抗浮力。人防地下室顶板的等效静荷载标准值达l00kPa，板厚取250，在人防设计中，在核爆动荷载和静荷载同时作用或核爆动荷载单独作用下，材料取动力强度设计值，如钢筋动力强度设计值为静荷载作用下设计值的1.2-1.5 倍，混凝土为1.4 倍。
(4)本工程结构长度较大，故几处设置了防震缝和后浇带。6 栋住宅塔楼在二层楼面每隔2 个塔楼用防震缝分隔，每两个形成双塔结构。地下室整体相连，沿地下室弧线方向每隔约50m 设置一条后浇带，将地下室分为8 块段施工。控制混凝土的配合比，减少水泥用量和用水量，掺粉煤灰和合适的外加剂，降低混凝土水化热，适当增加配筋率，防止温度应力使混凝土产生开裂。
(5) 塔楼中筒与各翼之间的连接是整个结构的薄弱部位之一，各标准层均为不规则平面，结构计算采用分块刚性楼板假定。为了克服塔楼的扭转反应，标准层采用剪力墙结构，适当增加剪力墙数量，增加结构的抗扭刚度；尽量加大中筒与各翼连接楼板的宽度，连接部分楼板加厚到150，并在平面外围适当部位设置拉梁将各翼连成整体。
(6)转换层的设计是该结构设计的重点和难点。2 层平面是本结构的转换层，是底层大空间与上部剪力墙之间的过渡层，采用梁式转换，部分落地剪力墙在该处都予以加强，使转换层上、下的侧向刚度比减小而满足规范的要求。该层楼板厚度取200，框支梁最大截面为1400×1800，因支承上部墙体，框支梁承受很大的剪力，需在梁支座处加腋，并增加梁箍筋数量，提高抗剪和抗扭能力；纵向钢筋也需加强，提高承载力；当梁宽大于框支墙柱宽度时，在节点区域内另加竖
向拉结筋勾住梁底、面筋，增强转换梁刚度。对受力较复杂的转换梁，则进行有限元分析，并按应力进行配筋设计校核。
3.3 结构计算分析
本工程结构分别采用中国建筑科学研究院编制《高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE》及《多层及高层建筑结构三维分析与设计软件TAT))进行计算。SATWE 采用空间杆件一墙元模型，TAT 采用空间杆件一空间薄壁杆模型，分别按单塔和双塔楼考虑计算(单塔计算周期比、位移比、刚度比；双塔计算内力及配筋)。SATWE程序计算时，塔楼各翼采用分块刚性楼板假定，用振型分解反应谱法取两个主轴方向和45度方向计算地震作用。考虑平扭耦连计算。计算参数的确定：
(1)抗震设防烈度为7 度，场地土类别为Ⅱ类，考虑偶然偏心，取18个振型。
(2)基本风压值0.90KN/m2，地面粗糙度为C 类，风结构位移及内力计算结果表载体型系数取us=1.4。
(3)结构周期折减系数取0.85，阻尼比为0.05。结构稳定验算满足高规要求，并且可不考虑重力二阶效应的影响。上表为A5、A6 栋双塔结构的SATWE 位移及内力计算结果。从SATWE 计算结果分析可知，主体结构对地震作用及风荷载作用的反应是正常的，结构自振周期、位移、地震力均控制在规范允许值范围内，振型曲线正常，说明本工程的结构体系是合理的，采取的抗震措施是有效的。
4 新材料
本工程除了沿用传统的HPB235 级和HRB335 级钢筋外，考虑结构的复杂性、材料性能、施工技术及经济性等各种因素，增加(采用)了新型钢材一HRB400 级钢筋，应用于梁柱纵筋、剪力墙主筋及地下室底板钢筋。此钢筋强度为HRB335 级钢筋的1.2 倍，减少钢筋配置数量，却可提高结构承载力，施工方便，既经济也实用，现在很多复杂的高层建筑都拟用此种新型钢材。
5 结束语
此居住区外观豪华，特色设计，功能齐全，室内布置实用美观，处处散发着贵族气息，是现代高尚住宅的典型。通过这个设计我深深体会到，结构专业需配合各个建筑的设计特点，选用最佳的结构形式，最适合的材料，采取最有效的措施进行设计。对于特殊部位要重点计算分析，加强稳定性及安全性使每个建筑物都能更好地投入使用，充分发挥其功用特点及个性魅力。
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