高烈度区高层住宅结构设计探析

钱 卫 （南京市凯盛建筑设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210000）

0 引 述

在高烈度区，结构抗震设计为最大的难点。一般情况下，同样高度的建筑，地震设防烈度越高，其结构的抗震等级就越高；抗震等级越高，竖向受力构件的允许轴压比就越低，节点核心区的抗剪要求就越高，这对于结构设计来讲是比较困难的。

1 前期阶段

项目前期阶段，选取正确的结构体系是至关重要的。结构体系与结构型式的合理选择是结构设计的首要环节，如果结构体系选取错误，那么结构设计出来的建筑将会严重影响建筑的美观，还会大大增加建筑的工程造价。在结构安全的情况下，结构的造价越经济越好，这就需要结构设计师具有良好的工程经验和扎实的力学概念；一味的照抄别人设计的施工图，或者按照经验而不进行区别思考设计出的结构，可能会造成一定的浪费。虽然建筑设计对于某些设计人员来讲，就是图纸上的内容，却不设身处地为建设单位考虑。例如：基础设计时，设计人员需要明白基础造价的基本常识，同样情况下，第一考虑独立基础，再次是筏板基础，如果地基承载力不能支撑整个上部结构的重量时，但是地基承载力相差不多，此时我们考虑进行地基处理；如果地基承载力与整个上部结构的重量相差太多时，我们可考虑桩基础或者桩筏基础。如果地基条件能够满足独立基础或者筏板基础要求时，这时如果基础采取桩基，那么地基承载力就会白白的浪费，仅此一项可以节省工程土建造价的10%左右。上部结构设计中，如果结构体系必须采用框剪结构的如果采用框架结构的，可能最终指标能够满足规范要求，但是造价会大大增加；相反如果结构体系只需采用框架结构就能轻松满足相关指标时， 这种情况下采用框架剪力墙结构同样也会造成浪费。如何选取正确的结构体系，需要设计人员具有相当丰富的经验和扎实的设计概念。

作为结构设计师，还需明白大体的结构造价组成，而结构的经济性一般以单位面积用钢量控制为主，以单位面积混凝土折算厚度为辅。例如高层住宅结构中，一般地区，上部结构构件的大体用钢量区间： 板为10kg/m2、 梁为13～18kg/m2、 墙柱为18～25kg/m2，从此项可以看出结构中用钢量最大的竖向受力构件墙柱部分，那么在结构设计时需仔细核对墙柱部分的配筋部分；如果不加区分地从下到上统一配筋，将会造成不小的浪费。

2 主体设计

剪力墙结构中，建筑方案上需要一定的大空间，不宜设置剪力墙而只能设置框架柱时，此时这种结构体系可定义为少量框架柱的剪力墙结构。 此种结构体系设计时需明确以下的几点：该结构体系仍属剪力墙结构，剪力墙的抗震等级按照纯剪力墙结构确定；框架柱的抗震等级可不低于剪力墙，或者按照框架剪力墙结构确定框架柱的抗震等级。 对该结构进行设计时，需采取包络设计：不考虑框架柱的刚度影响，全部地震作用由剪力墙承担，按照剪力墙结构设计出剪力墙的配筋；考虑框架柱的刚度影响，按照框架剪力墙结构设计出框架柱的配筋。

现行规范对机动车停车位要求越来越多，并且要求停车位设置在地面以下的比例越来越高，所以很多新建小区为了满足停车位的要求，必须设置地下室。地下室的功能一般可分为：机动车停车部分、非机动车停车部分、储藏部分及人防部位。一般情况，非机动车停车部分、储藏部分及人防部位可以设置在主楼的下方，而机动车停车位需要较为规整的尺寸空间，只能设置在小区绿化的下方，如此设计整个小区地下将会挖空。小区主楼设置在地下室上方，必须采取相应的措施使地下室顶板满足嵌固端的要求。一般小区绿化部分为了设备埋管和种植树木覆土需要，需要将地下室顶板下沉1.0m～1.5m，那室外地下室顶板与主楼的正负零顶板形成较大的落差。地下室顶板作为上部结构的嵌固端，主要是满足地震作用时能够将水平力有效传递，此时需将高差处的框架梁进行构造处理。首先需将框架梁的抗震等级进行提高，对梁进行加宽加腋处理，纵筋进行加强，并且对箍筋进行加粗加密处理，经过以上处理措施之后，即可认为满足相关要求。地下室顶板在设计时，需根据建筑要求是否考虑消防车荷载，如果需考虑消防车荷载时，可以考虑采用较大的区隔板进行设计， 这样可以减少上部结构的消防车荷载，同时需注意基础设计时可以不考虑消防车荷载，而应根据正常使用情况进行考虑，但需考虑施工荷载。地下室外墙是地下室结构设计的一个重要环节，地下室外墙一般取1m 墙体单元按照上部铰接、下端固结的受力模型进行分析。此种模型往往忽略了框架柱支座作用，根据对大量已建成小区地下室的观察，在地下室外墙的中部区间出现竖向裂缝情况较多，对此在设计地下室外墙时内侧水平分布筋在该区域需加强。

在高烈度区，高层住宅的主要结构体系为剪力墙结构。建筑方案往往将楼梯设置在建筑的边部，而在结构设计时在楼梯间布置了剪力墙结构，由于剪力墙的两侧均没有楼板连接，在结构分析时认为这种情况不能有效传递水平力，模型与实际情况不符，此时可考虑将此剪力墙取消，而改设框架柱，按照两种不同的工况对结构进行包络设计。同样，建筑方案为了满足建筑多面开窗的要求，将建筑外形设计成凹凸状，局部形成细腰结构，此时需将中间的楼板的板厚及配筋进行加强处理。

连梁设计是剪力墙结构设计中的难点，连梁的计算模型不同其计算结果差异很大。连梁可以作为梁单元输入，同样可以作为剪力墙开洞形成。对于剪力墙结构，一般情况下，可以认为连梁的净跨度与连梁的截面高度的比值宜大于5， 为弱连梁，可采用梁模型输入；而高烈度区的强连梁可采用剪力墙开洞形成，为强连梁。剪力墙结构中的剪力墙的墙肢长度也不宜过长，一般不宜超过8m；一旦墙肢长度过长，会造成墙体刚度太大，延性较差，不利于抗震，此时需对墙体进行开洞处理，在墙体之间设置连梁。当连梁按照梁单元设计时，连梁的刚度要明显小于墙体单元，此时结构的侧向位移较大，连梁配筋较小，墙肢配筋较大；同样连梁按照墙体开洞输入，连梁作为墙体一部分，结构的侧向刚度较大，位移较小，连梁配筋加大，而墙体配筋较小。地震作用发生时，连梁作为剪力墙结构的第一道防线，允许其出现裂缝，所以连梁不宜设置的过大，使得结构的薄弱环节转移。如果连梁高度太大，那么我们可考虑设置水平缝进行处理。同时连梁上方不宜设置次梁与之搭接，如果无法避免时，需按照重力荷载作用下进行纵筋补充设计。连梁的超筋是剪力墙结构设计中常出现的问题，如何确保连梁的强剪弱弯，连梁塑性发展后其他构件有足够的抗震能力是比较重要的。首先采取调幅，如调幅不能通过则减小连梁截面；如果以上均不能通过计算，在连梁两端进行点绞，同时需将连梁两侧的墙体配筋相应的增大；最终在连梁配筋时不宜无故加大连梁的配筋。

剪力墙结构的四周一般需设置剪力墙，而不宜设计转角阳台和转角窗，方案无法避免设置这些结构后，此时破坏了结构的连续性和封闭性，将会使地震作用无法有效传递，于抗震不利。当建筑方案无法避免时，此时需进行加强措施，如采取框架梁或者暗梁，加强楼板作用及提高转角窗、转角阳台两侧墙体的稳定性，同时需对楼板加厚，配筋双层双向进行处理。

3 基础设计

基础设计时，地质勘查报告是结构设计师的第一手资料。在设计基础时，最好能够参照当地的类似工程，以免造成浪费。基础是隐蔽工程，在结构设计中非常重要，并且造价占的比重较高，设计出经济而安全的基础是设计师必需掌握的技能。通过查看地质勘查报告后，首先需确定基础的型式，是否需要考虑液化作用。如果地质情况良好，或者通过地基加固的处理方式进行处理可以采用独立基础或者筏板基础时，能够充分发挥地基土的承载力是设计师优先考虑的基础型式，在基础埋深满足相关规范及承载力要求后，基础应尽量浅埋。如果设计基础为筏板时，筏板在配筋时可以不考虑裂缝的影响。当地基承载力不能满足上部结构的荷载时，可考虑采用桩基础。当建筑存在纯地下室部分（上部无塔楼）时，需考虑抗浮设计。抗浮水位一般根据地勘报告确定，如地勘未明确时，一般按照室外地坪下0.5m 进行考虑，地下室的抗浮一般优先考虑自重，当结构自重不能满足抗浮的要求，可以考虑设置抗拔桩或者增加配重；同样在设计地下室底板时需考虑地下水位的作用。

[1]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]GDA 0003-2012，高层住宅结构设计统一技术措施[S].广东省建筑设计研究院标准，2012.

[4]朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.