摘要:文章筆者結合多年的結構設計工作經(jīng)驗，結合工程實際，分析了小高層住宅樓結構的優(yōu)化設計。
　　關鍵詞:小高層結構,短肢剪力墻,設計
　　
　　1工程概況
　　該工程為一幢小高層住宅樓建筑,地上一共9層,層高約為3m;第9層上面有一個躍層為第10層,局部突出屋面部分為電梯機房。建筑的總面積一共為4338.21m2,該建筑的總高度為27.7m。該工程的建筑結構的安全等級為二級,抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度為8度,設計基本地震加速度為0.2g,設計地震分組為第一組,地面粗糙度為C類,基本風壓值取值0.35kN/㎡,場地土類別為Ⅱ類。
　　2結構方案布置
　　原結構方案采用一般的剪力墻結構,這種結構形式對于房屋高度不太大的小高層建筑來說,這種結構會造成剛度過大,重量增加,導致地震反應過強,使得上部結構和基礎造價提高。所以,為了有效提高經(jīng)濟指標,經(jīng)多方案論證,決定采用短肢剪力墻結構體系。
　　在本住宅結構平面布置中,盡量使結構平面形狀和剛度均勻對稱。短肢剪力墻雙向布置,盡量拉通、對直。豎向布置中,力求規(guī)劃均勻,避免有過大的外挑、內收,以及樓層剛度沿豎向突變,使整個房屋的抗側剛度中心靠近水平荷載合力的作用線,以免房屋發(fā)生扭轉。根據(jù)建筑的平面布置,在房間、樓梯間、電梯間的四角,采用Z形、L形、T形或異形的墻肢。在設計過程中還應注意同周期的關系,使結構的第一自振周期避開場地土的卓越周期,以免地基與結構形成共振或類共振,既保證結構在風和地震荷載作用下的變形控制在規(guī)范允許的范圍內,又要保證建筑物有相對合理的自振周期,做到結構設計經(jīng)濟、合理且實用。
　　本方案根據(jù)上述建議經(jīng)過多次調試,得到了4種結構方案。剪力墻截面厚度同相鄰砌體填充墻厚度均為100mm。剪力墻、梁混凝土強度等級為C30。板的混凝土強度等級均為C25。主要連梁的尺寸大都為200mm×400mm。標準層樓板厚度為120mm,頂層樓板厚度為150mm。有別于肢長肢厚比不大于4.0的異形柱,短肢剪力墻的肢長肢厚比按規(guī)范要求控制在5～8范圍內,一般剪力墻的肢長肢厚比均大于8。值得注意的是,對肢長肢厚比為4～5范圍內的墻肢,目前規(guī)范尚無明確條文規(guī)定其構件類型,故設計時建議不要采用。
　　由于原方案的剪力墻過多,使底部剪力過大,使結構很不經(jīng)濟,同時布置了少量鋼筋混凝土柱子,使結構不是很合理。故方案1在原方案的基礎上去掉了構造柱并減少了少量的剪力墻。在方案1基礎上適當?shù)臏p少一些剪力墻,從而使方案更經(jīng)濟,在調試過程中由于F軸剪力墻較少,從而使電梯間X方向的剪力墻承受過大的剪力造成超筋,故把電梯間X方向的剪力墻開洞口,使結構X向的剛度減少。方案3是在方案2的基礎上改善了Y方向的剛度,使兩個方向的剛度相接近,使結構更合理且均勻對稱。
　　在方案3的基礎上把Y方向的一些T型剪力墻變成一字型,雖然在多高層住宅設計中剪力墻結構應盡量避免一字型,但由于該結構的實際情況,所某小高層住宅樓的結構優(yōu)化設計，采用了部分一字型3上部結構抗震計算結果分析
　　3計算結果分析
　　從構件力學特性上來說,短肢剪力墻的肢長與肢厚比≥5.0,更接近于剪力墻,故計算時將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應更合理。因此,結構整體計算采用中國建筑科學研究院開發(fā)的SATWE程序進行。SATWE采用的是在每個節(jié)點有六個自由度的殼元基礎上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元不僅具有平面內剛度也具有平面外剛度,可以較好地模擬工程中剪力墻的真實受力狀態(tài),計算結果較精確;同時,對樓板SATWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結構平面較規(guī)則,立面也無剛度突變現(xiàn)象,但由于剛度較大的電梯井處筒體有點偏置,會產生扭轉的影響,為了計算準確,地震作用計算考慮了結構的扭轉耦聯(lián)和5%偶然偏的影響,取了27個振型計算。
　　1)自振周期的控制
　　考慮扭轉耦聯(lián)時的自振周期(計算時自振周期折減系數(shù)取0.8)可得,方案4結構扭轉為主的第一自振周期T3=0.9959s,平動為主的第一自振周期T1=1.1656s,T3/T1=0.854<0.9,滿足(JGJ3-2002)第4。3。5條的規(guī)定。
　　2)結構位移的控制
　　最大層間位移角(應≤1/1000)、最大水平位移與層平均位移的比值(不宜大于1.2,不應大于1.5)及最大層間位移與平均層間位移的比值(不3宜大于1.2,不應大于1.5)。從中可以看出,結構在風荷載和地震作用下的位移均能很好地滿足規(guī)范限值。
　　3)剪重比控制
　　剪重比是反映結構承受地震作用大小的指標之一,地震力計算不能偏大,但也不能太小。因為短肢剪力墻本身抵抗地震的能力較差,如果短肢剪力墻分配的地震力太大,則很有可能不滿足要求。本工程X方向的最小剪重比為4.50%,Y方向的最小剪重比為4.62%,根據(jù)“抗震規(guī)范”(5.2.5)條要求的X、Y向樓層最小剪重比均為3.20%,所以各層均滿足要求。
　　4)軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力，“規(guī)范”對短肢剪力墻(尤其一字墻肢)要求更高一些。上述工程出現(xiàn)的短肢剪力墻軸壓比在0.20～0.45之間,軸壓比小于規(guī)范規(guī)定值。
　　3.1結構經(jīng)濟分析
　　為了與工程實際情況相符,假設混凝土的成本與混凝土的體積成正比,鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價上,暫不考慮模板及樓板等工程的造價影響。材料的單方造價混凝土為430元/m3,鋼筋4200元/t。可見方案4比原結構在總造價上要節(jié)約178%。使材料得到了充分的發(fā)揮。
　　4結語
　　本文針對某居民住宅樓的結構特點,進行了結構優(yōu)化設計。在比原設計方案節(jié)省投資17.8%的情況下,使結構受力更合理,整體變形能力和結構吸能能力對抗震更為有利。此工程剪力墻結構的抗震薄弱環(huán)節(jié)是建筑平面外邊緣及角點處的墻肢,因而設計時在以上部位布置L型或一字型短肢墻,受條件所限也出現(xiàn)了少量一字型短肢墻,設計時嚴格控制其軸壓比<0.6,且相差不應太懸殊,避免墻肢應力差異過大。高層建筑中的連梁是一個耗能構件對抗震不利。多、高層結構設計中允許連梁的剛度有所下降。但應注意短肢剪力墻結構中,墻肢剛度相對較小,連接各墻肢的梁已類似普通框架梁,而不同于一般剪力墻間的連梁,不應在計算的總體信息中將連梁的剛度大幅下調,使其設計內力降低,應按普通框架梁的要求進行設計。