某高层住宅小区结构设计与经济性优化分析.docx

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黄正捷

某高层住宅小区结构设计与经济性优化分析

【摘要】摘要：

在满足规范的前提下，高层建筑结构设计在配合建筑需要的同时，通过结构方案比较分析，优化结构方案，并比较钢材性价比，合理选材，从而使结构设计经济合理,同时对结构设计中的短肢剪力墙住宅结构设计中设置转角窗进行了讨论。

【期刊名称】建筑设计管理

【年（卷）,期】2012（000）010

【总页数】3

【关键词】结构转换；结构分析；HRB400钢筋；冷轧扭钢筋；短肢剪力墙

0引言

某住宅小区B地块占地35770m2，总建筑面积为98321m2，地下1层，

地上由A、B、C栋共3栋12层的塔楼和D、E、F栋共3栋16层的塔楼组成。

按建筑设计要求，各栋的首层均要求局部架空作为绿化用地或商业用途。

笔者

作为该项目集团层面管理人员，牵头进行技术管理、优化及论证工作。

1结构体系

本着为客户节约每一份投资，我们精心作结构选型。

由于2层以上住宅要求不凸梁、柱，所以各栋均用混凝土框架－剪力墙结构，绝大多数为剪力墙。

地下车库及首层局部架空部分均要求开阔的空间，结构转换不可避免。

关于结构转换，有两种方案：

方案1：

常规的做法，转换层设于2层。

优点是：

首层和地下车库很开阔，足以提供小区绿化和休闲的场地或临街商铺。

缺点是：

转换梁高通常有 1200

mm，这里间接转换，梁高至少有1400mm，建筑为了保证首层的净高，不得不加大首层的层高，不经济合理。

方案2：

转换层设于首层（地下室顶板），即转换层于与地下室顶板二合一来考虑，地下室顶板为梁、板结构。

个别剪力墙不能完整下来的，就在2层作小转换，既保证地下车库的功能要求，又基本上达到首层开阔的要求。

为了不影响地下

室的净高，转换梁反上来（不露出覆土完成面）。

该方案优点更突出，同时满足规范对转换层和地下室顶板的要求，而且2层的梁与标准层一样，仅600mm高，经济效应非常显著。

经过多方协商，最后选择了方案2，因为结构的经济性明显优于方案1，体现在：

①节省了首层的层高；②规范要求地下室顶板≥160mm，转换层的板厚

≥180mm，合起来后我们取h=200mm足够。

E栋的地下室顶板（转换层）结构平面见图1，粗线为转换梁。

为方便施工，地下室底板选用厚板结构。

塔楼采用CFG复合地基，独立地下室采用独立基础，地下室侧壁板下用条基。

经复核，沉降差可满足要求。

2主体结构分析

2.1分析程序

主体结构采用TBSA和SATWE两种分析程序，对结构进行分析比较。

地下室底板的无梁结构采用经验系数法计算。

2.2结构模型和分析结果

由于地下室顶板标高参差不齐，地下室侧壁板还局部开窗，侧壁外的回填土不能够提供足够的侧向约束，故结构计算模型嵌固于地下室底板，各塔楼以各自独立的模型计算。

先用TBSA分别算出双向地震和偶然偏心两种情况，取不利者；再分别算出抗震和非抗震两种情况，用于基础设计。

通过多栋塔楼的计算显示出6度抗震设防烈度的3级抗震，基础设计时多数是非抗震起控制作用。

然后用SATWE进行计算，不同之处是在地下室顶板定义了“弹性膜”，以更精确地考虑顶板凹凸不平的情况。

对TBSA和SATWE两种程序的计算结果进行综合分析，见表1。

结果显示，两个程序的结果很接近，具有共同的特点：

（1）振型为横向平动，第二振型为纵向平动，第三振型为扭转，累计有效质量系数均大于90%，说明所选定的振型已满足要求。

（2）侧向刚度和扭转刚度控制均满足规范要求，各层剪重比均在合理范围内。

3钢材选用

整个项目的结构设计开始于2009年初，钢材价格高，含钢量是开发商比较敏感的问题。

根据建设部的推荐，考虑选用经济可靠的新型的钢材种类。

3.1梁、柱选用HRB400钢筋

（1）在价格比约是 HRB400/HRB335=1.07，设计强度比是

HRB400/HRB335=360/300=1.2；

（2）柱用HRB400钢筋时最小配筋率比用HRB335钢筋时最小配筋率要低0.1%，在某些楼层按构造配筋时，理论上可节省10%以上的钢筋。

可见HRB400钢筋性价比更高。

3.2除地下室、天面楼板外，其他层的楼板选用冷轧扭钢筋

（1）冷轧扭钢筋是HPB235钢筋加工而成的，其价格是HPB235钢筋的价格加上厂家的加工费，其总价格仅是HPB235钢筋1.12倍，强度比是冷轧扭

/HRB335=360/210=1.7143，开发商还节省了支付给施工单位的钢筋加工费；

（2）混凝土强度等级≤C35时用冷轧扭钢筋时最小配筋率是0.2，所以各标准层的强度等级在C25～C35的范围时各层板的构造配筋是一样的，方便于设计和施工开料；

（3）冷轧扭与冷轧带肋钢筋相比，与混凝土的粘结效果更好。

可见冷轧扭钢筋性价比更高。

4短肢剪力墙住宅结构设计中关于设置转角窗的讨论

4.1设置转角窗的结构设计

本项目中建筑师为了室内采光、立面美观以及所谓的景观房的需要，在外墙转角处设落地或有窗台的转角窗。

建筑物角部是结构的关键性部位，一般均设置“L”形剪力墙，这种情况下角部构件内力较大，程度不同地都显示出剪力滞后、应力集中、受力复杂等现象。

若设置转角窗，就是在角部墙体上开洞，实际上是取消了角部的墙体，代之以角部曲梁（交叉连梁）。

这将使角部附近的构件受力更加复杂。

4.2设置转角窗对整体受力分析的影响

转角窗对短肢剪力墙住宅结构总体来说是不利的。

一方面，就楼板本身而言，其在角窗转角部位无竖向构件（如柱或墙肢）的可靠约束，只有转角窗上交叉连梁的横向约束，对角部楼板约束较弱。

当结构的质心和刚心稍有偏差，楼板因水平力偏心受扭时，角窗转角部位的楼板扭转应力集中，变形会很大，严重时会挤坏脱落。

另外，楼板的同一边的约束有强有弱，对楼板的受竖向力也不利。

另一方面，就墙肢的平面分布而言，角部外墙由于远离刚心，在两个方向都具有较大的抗扭刚度，对调整整个结构的设计指标起到很大的作用。

若取消角部

的墙体，很容易造成对结构抗震性能的削弱，特别是对结构扭转刚度的影响很大，极易造成“扭转不规则”的平面类型:

即楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。

对A级高度的高层住宅结构，规范规定上述位移比不应超过1.5。

另外，还应控制周期比（即Tt/Tl不应大于0.85），并使扭转祸联为主的振型尽量靠后（最好为第三周期）。

如果不满足上述两个指标要求，应采取增强结构扭转刚度的有效措施。

一般来说，洞口附近应避免采用短肢剪力墙和单片剪力墙，宜采用“T”、“L”、槽型等截面形状的墙体，且墙厚宜适当加大，角窗洞边的暗柱宜按约束边缘构件设计，其截面尺寸宜适当加大，配筋宜适当加强。

剪力墙结构设不设角窗对结构整体效应影响颇大，结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异。

设角窗的剪力墙结构，其外墙内力明显增大。

开洞的角部各构件扭转效应明显，特别是洞口处的连梁，需配置抗扭钢筋。

对角部墙体开洞的剪力墙结构，开洞连梁的跨度及截面高度的大小对邻近构件内力的影响也不容忽视，应注意调整开洞连梁的跨高比，使设计尽可能经济合理。

4.3转角梁的设计

4.3.1转角梁的内力分析

见图2所示的转角梁ABC实为一根转角为90度的拐角梁，早期曾按两根不同跨度的悬臂梁设计，当两边荷载和尺寸l1与l2相近时，还是可以作为设计依据的，否则在点B处宜按变位协调原则分析其内力。

高层建筑住宅结构转角窗处的内力在一般情况下宜用有限元法分析计算，其中梁、柱均为一维构件，可采用两端带刚域的空间杆单元来模拟其受力状态。

根

据约束条件的不同，空间杆单元可分为两端固定、一端固定一端铰接和两端铰接3种情况计算，并应考虑剪切变形的影响。

结构电算时，转角梁的负弯矩调幅系数、扭矩折减系数均应取1.0，不能有折减系数。

转角梁ABC不同于一般梁，也不同于剪力墙之间的连梁，它是一根整体折梁。

当l1=l2时，该梁具有较多的悬臂梁工作性质，当l1与l2相差较大时，较短梁的梁端将不同程度上对较长梁起着弹性支承的作用。

另外在一般情况下，外挑阳台对梁ABC产生的扭矩可采用在楼板内配置负弯矩钢筋予以平衡，但室内楼板活荷载对梁仍有扭矩产生，一般较小。

梁的主要钢筋最小值（上部纵向受力钢筋）不宜按一般梁考虑（0.2和45ft/fy中的较大值），而宜根据不同的抗震等级及混凝强度等级参考框架梁支座配筋率确定。

而其配箍率也不宜按一般梁（0.24ft/fyv）考虑，而宜按框架梁的最小面积配箍率考虑。

转角窗上下均应设置转角梁，在一般情况下其截面高度为上下窗台之间的净空高度或小于该净空高度，而其宽度则与墙厚相同。

梁的抗震等级和混凝土强度等级宜与其相连的短肢墙的等级一致。

4.3.2转角梁的配筋构造

转角梁ABC上筋宜为一根带90°弯角的L形钢筋，两端锚入墙内长度laE，如在点B处断开由两根钢筋连接组成，则宜采用机械连接或焊接连接。

转角梁ABC截面两侧当腹板高度hw≥450mm时，每侧应配置纵向构造钢筋，其直径不小于φ10～φ12，两侧纵向构造钢筋按下式计算：

式中：

b、hw分别为梁ABC的截面宽度与腹板高度。

4.4转角窗墙肢的设计

一般来说，转角窗两侧应避免采用短肢剪力墙和单片剪力墙，宜采用“T”，

“L”，槽型等截面形状的墙体，且墙厚宜适当加大，其截面尺寸宜适当加大。

转角窗洞口两侧墙肢均属于无端柱无翼墙，根据新规范，一、二级底部加强区的墙体厚度不应小于层高的1/12；而其他部位则不应小于层高的1/15，且不应小于180mm。

一、二级抗震等级转角窗墙肢端部在底部加强区及其上一层应采用约束边缘构件。

非加强区也宜采用约束边缘构件，但最小体积配筋率可根据电算中的实际轴压比将配箍特征值λv由0.2适当降低，但其他（如配置箍筋）应与约束边缘构件完全相同。

4.5设置转角窗时楼板的设计

转角窗处楼板处于房屋外角边缘，其外角边界是由梁ABC支承而不是墙支承，且扭转刚度较差，故在A、C两点处（即墙肢端点处）宜设置与楼板等厚度的暗梁（见图1），梁宽可取0.5～1.0m。

暗梁的配筋宜上下相同，配筋率不宜低于0.2

和45ft/fy中的较大值，并宜配置箍筋，宜不小于φ6～φ18@200～250mm。

转角窗处楼板厚度应按房间四边尺寸大小经计算确定，宜适当加厚（在140～

150mm之间）。

楼板配筋也应适当加强，宜采用双层双向12@150～14@150，并宜直通伸入相邻房间板内适当长度，板的配筋率不宜小于0.25%～0.30%。

5结语

笔者组织参与了整个项目的技术论证工作。

最终结构的合理选型和钢材的恰当选用，使整体含钢量比较低，取得良好的经济效益。

截至发稿日期，全部塔楼已经封顶，沉降观测的结果显示，整体沉降很均匀，平均沉降量远小于规范的要求，得到了发展商的好评。

参考文献：

[1]JGJ3—2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].[2]JGJ95—2003,冷轧扭钢筋混凝土结构技术规程[S].doi：

10.3969/j.issn.1673-1093.2012.10.020