高层住宅结构选型和优化设计

第40卷第4期建　筑　结　构2010年4月

高层住宅结构选型和优化设计

谭方兰

(广西华蓝设计(集团)有限公司,南宁530011)

[摘要]　高层住宅的结构选型对其用钢量有直接影响。25～33层(高度接近100m )的高层住宅,采用剪力墙结构体

系比采用框架2剪力墙结构体系的用钢量低,且抗震性能比后者的更好。应对剪力墙进行合理布置及优化设计,优化设计后,结构安全度不应降低,剪力墙具有更好的延性和抗震耗能能力,且用钢量较低。采用相关的设计实例进行说明,对高层住宅设计具有广泛的适用性和现实指导意义。

[关键词]　高层住宅;结构选型;优化设计;抗震性能

Structural system selection and optimization design of high 2rise residential buildings

T an Fanglan

(G uangxi Hualan Design &C onsult G roup ,Nanning 530011,China )

Abstract :The structural system selection of the high 2rise residential building will directly in fluence the consum ption per square meter of rein forcement.The high 2rise residential building of 25～33layers (about 100m in height ),which the shear wall structural system is applied to ,will m ore easily obtain lower consum ption per square meter of rein forcement than the building which the frame 2shear wall structural system is applied to ,while the shear wall structures show better earthquake 2resistant behaviors than the frame 2shear wall structures.The shear walls must be laid out rationally ,and must be made optimization design.Optimization design shall not reduce the degree of structural safety.The shear wall which has been made optimization design will show better ductilitis ,better earthquake resistant behaviors ,and lower consum ption per square meter of rein forcement.The engineering practice presented have extensive applicability and practical significance to the design of high 2rise residential buildings.

K eyw ords :high 2rise residential building ;structural system selection ;optimization design ;earthquake 2resistant behavior

作者简介:谭方兰,学士,高级工程师,一级注册结构工程师,Email :t 2f 2l @ 。

选取已建的四个25～33层(高度接近100m )的典

型高层住宅设计实例,分别阐述其结构选型及设计要点、优化设计措施、用钢量和适用性,对其抗震性能和用钢量进行对比。1　设计实例1

某高层住宅小区,位于6度区,2003年设计,6栋30层的高层住宅主楼,建筑高度均为9310m 。地下层1为连通汽车库及设备用房的人防地下室大底盘;6栋主楼地面以上首层层高418m ,为架空开敞的阳光花房;层2～30层高310m ,为住宅。

要求用钢量(±0100以上)控制在80～85kg Πm 2之间,并要求主楼首层的阳光花房完全开敞,除中部楼、电梯井筒外,不允许在阳光花房内部和周边设置落地的钢筋混凝土剪力墙。主楼标准层结构平面见图1。111结构体系及设计要点

受首层建筑功能与用钢量的制约,主楼落地剪力墙只能集中布置于结构中部的楼、电梯井部位,其他部位只能设框架柱,形成图1所示框架2剪力墙结构体系。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(J G J3—

2002)[1](简称高规)的要求,为保证框架2剪力墙结构体系在基本振型地震作用下,

框架柱承受的倾覆力矩图1　实例1主楼标准层结构布置图

不大于结构总倾覆力矩的50%,必须通过增大剪力墙

的刚度来增大其倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比;但在结构周边、拐角等能有效发挥剪力墙抗侧和抗

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扭刚度的部位均无法设置落地剪力墙。因此,只能采取增加剪力墙墙厚的办法来增大其刚度:整体计算中楼、电梯井剪力墙的厚度增至400mm(电梯井内隔墙厚200mm)时,框架柱承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩百分比可降至49187%(X向地震),38129%(Y向地震),满足高规要求。框架柱及剪力墙抗震等级均为三级。

整体计算的结构振动特性及抗震性能的指标见表1,2。地震作用下最大层间位移角为1Π2018(X向),1Π2437(Y向),均小于高规的限值1Π800。

建筑平面呈不规则的细腰形,中部楼、电梯井楼板最窄处仅1214m(包括楼、电梯洞口宽度410m),按《建筑抗震设计规范》(G B50011—2001)[2](简称抗震规范)应判定为“平面一般不规则”结构。因此,应严格控制结构的竖向及其他平面不规则指标,避免成为复杂超限高层结构[3]。楼、电梯井周围是整个楼面刚度最薄弱的部位,均设置了局部150mm厚楼板及双层双向拉通配筋予以加强。

实例1～4结构振动特性指标表1实例(结构型式)振型号周期Πs转角Π°平动系数扭转系数T tΠT1

131275617611711000100

实例1(框2剪)22189401251280101019901884

32181458610111000100

131053017314811000100

实例2(框2剪)2216056831400199010101747

32128009912001010199

1310211715001980102

实例3(纯剪)22176891601170199010101815

32146339216701730127

12146605818801940106

实例4(纯剪)22140681441210193010701692

311707317018401160184

注:表中的转角是指结构考虑扭转耦联时的振动转角。

实例1～4结构抗震性能指标表2

实例最大层间位移角[θ]

及底部楼层位移角

扭转位移比ξ=U maxΠU

及底部楼层扭转位移比X向Y向X向Y向

实例11Π2018(12)

1Π3490(2)

1Π2437(18)

1Π5337(2)

1116(12)

1116(2)

1120(18)

1144(2)

实例21Π2063(15)

1Π5350(2)

1Π2325(27)

1Π9172(2)

1110(15)

1111(2)

1125(27)

1123(2)

实例31Π2233(17)

1Π7324(2)

1Π2839(21)

1Π9999(2)

1123(17)

1116(2)

1130(21)

1135(2)

实例41Π2958(14)

1Π8200(2)

1Π2568(19)

1Π9999(2)

1126(14)

1120(2)

1123(19)

1124(2)

注:括号内的数值为楼层号。扭转位移比是指考虑偶然偏心影响的地震作用下结构最大层间位移与平均层间位移的比值。

112优化设计措施

(1)减轻荷载:外墙及分户墙采用190mm厚混凝土空心砌块墙,内墙采用90mm厚混凝土空心砌块墙;控制楼面装修荷载;控制楼板厚度,减轻自重。

(2)减小柱截面:底部框架柱和剪力墙采用C55混凝土,向上依次降低:C45(层8～19)→C35(层19～28)→C25(层28以上);控制轴压比,减小底层柱截面尺寸(底层柱截面尺寸最小为600×800,最大为800×1200),并向上依次减小方柱截面尺寸:600×600(层17～27)→500×500(层27～29)→400×400(层29以上),减少短柱加密箍柱段。

(3)采用新Ⅲ级钢:控制梁截面不大于200×700,梁纵筋均采用新Ⅲ级钢(f y=360kNΠm2,强度较Ⅱ级钢提高20%),减少梁钢筋用量。

(4)对阳台栏杆、女儿墙均采用砌块砌筑,用压顶梁及构造柱与主体结构拉结,尽量减少次要构件的钢筋用量。

113用钢量

设计预期用钢量(±0100以上)为80～85kgΠm2,实际结算后的用钢量(±0100以上)为83117kgΠm2,满足要求。

114适用性

位于繁华商业区、具有较高商业价值的高层商住楼盘,要求底部用房完全开敞、楼电梯井筒位于结构中部、预期用钢量(±0100以上)为80～85kgΠm2时,可选择采用实例1的框架2剪力墙结构体系(2007年,在南宁市火车站商业中心黄金地段高层商住楼盘的结构选型中,考虑开发商对底部商铺完全开敞的严格要求,再次采用了此类型的框架2剪力墙结构)。

2　设计实例2

某高层住宅楼盘,位于6度区,2007年设计,2栋33层的高层住宅主楼,建筑高度均为10012m。地下层1为连通汽车库及设备用房的人防地下室;主楼地面以上首层层高316m,为商铺;层2～33层高310m,为住宅。

要求控制用钢量(±0100以上)小于70kgΠm2,允许首层商铺内部、结构周边、拐角设置一些落地的钢筋混凝土剪力墙,地下层1车库的双车环道不穿过高层主楼底部。主楼标准层结构平面见图2。

211结构体系及设计要点

在满足地下车库和首层商铺功能的前提下,遵循对称、均匀、周边、拐角的原则,在结构内部、周边、拐角等部位对落地剪力墙进行了较合理布置,形成图2所示框架2剪力墙结构体系。主体结构抗震等级为三级。

由于剪力墙的大开间周边布置,有效发挥了其抗侧和抗扭刚度,当底部剪力墙的厚度为250mm(层5以上减至200mm)时,整体计算底部框架柱承受的倾覆力矩占结构总倾覆力矩的百分比即可降至34143%(X向

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