小高層住宅設(shè)計(jì)探討

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近期，小高層住宅大量涌現(xiàn)，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中使結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)合理已成當(dāng)務(wù)之急。由于目前的高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多數(shù)是根據(jù)已經(jīng)確定好的平面和豎向布置，先假定好構(gòu)件尺寸，通過(guò)電算，電算一般是個(gè)別指標(biāo)超限，則對(duì)這部分進(jìn)行調(diào)整，至于整個(gè)方案是否完善，構(gòu)件尺寸假定是否太大，則心中無(wú)底。很多時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。另外，住宅布置有時(shí)候建筑考慮立面和內(nèi)部空間，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很多不合理之處。例如：某些剪力墻布置不均勻，產(chǎn)生剛度偏心和扭轉(zhuǎn)；多處形成一字型短墻；頂部布置共享空間，產(chǎn)生平面不規(guī)則等，這些形式對(duì)結(jié)構(gòu)受力及抗震均不利。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)必須強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計(jì)，在平面布置和構(gòu)造設(shè)計(jì)上使結(jié)構(gòu)更趨合理，做到經(jīng)濟(jì)合理。
1．總體指標(biāo)控制： 
　　計(jì)算判斷結(jié)構(gòu)抗震是否可行的主要依據(jù)是在風(fēng)荷載和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，結(jié)構(gòu)的振型曲線，自振周期以及風(fēng)荷載和地震作用下建筑物底部剪力和總彎矩是否在合理范圍中。總體指標(biāo)對(duì)建筑物的總體判別十分有用。譬如說(shuō)若剛度太大，周期太短，導(dǎo)致地震效應(yīng)增大，造成不必要的材料浪費(fèi)；但剛度太小，結(jié)構(gòu)變形太大，影響建筑物的使用。合理的剛度是多少，筆者建議對(duì)于小高層住宅μ/H取1/2500~1/3500，剛重比在10~15之間是比較合理的。周期約為層數(shù)的0.06~0.08倍之間。另外，對(duì)結(jié)構(gòu)布置扭轉(zhuǎn)的控制：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構(gòu)件的最大水平位移和層間位移不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應(yīng)大于該樓層平均值的1.5倍。當(dāng)然，筆者建議對(duì)于頂層構(gòu)件可不考慮在內(nèi)，否則很難滿足上述指標(biāo)。
2．基礎(chǔ)設(shè)計(jì)： 
　　目前的短肢剪力墻體系小高層由于考慮埋置深度的要求，一般均設(shè)置地下室?；A(chǔ)則采用樁筏基礎(chǔ)。如何對(duì)樁進(jìn)行合理選型，將對(duì)整個(gè)地下室設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重要影響。例如某一工程，上部十八層帶一地下室，根據(jù)勘察報(bào)告，采用Φ400預(yù)應(yīng)力管樁，可選樁長(zhǎng)有樁長(zhǎng)25m，單樁承載力特征值Ra=900KN，樁長(zhǎng)34m，單樁承載力特征值Ra=1300KN。采用25m樁需要290根，采用34m樁需要200根。從樁本身比較兩種方案，總的樁延米數(shù)量相當(dāng)，但采用25m樁為滿樘布置，筏板厚需1200mm，而采用34m樁為墻下布置，筏板可減至900mm，經(jīng)濟(jì)性明顯。因此，筆者認(rèn)為基礎(chǔ)選型應(yīng)作方案比較，才能選定經(jīng)濟(jì)合理的方案。而對(duì)于筏板厚度的取值，則應(yīng)考慮樁沖切，角樁沖切，墻沖切及板配筋等多方面的因素。另外，筏板長(zhǎng)度的設(shè)置也須我們研究探討，由于考慮地下室的使用合理性，常規(guī)我們采用設(shè)置后澆帶來(lái)解決底板超長(zhǎng)引起的收縮及溫度裂縫，后澆帶的作用是明顯的，但也給施工帶來(lái)了不少麻煩，甚至由于處理不當(dāng)而引起后澆帶漏水及裂縫。而有些高層，長(zhǎng)寬均達(dá)100m以上，中間就設(shè)置幾條后澆帶，也沒(méi)有其他措施，筆者認(rèn)為是不妥當(dāng)?shù)摹?
3．剪力墻設(shè)計(jì)： 
　　1). 布置：剪力墻布置必須均勻合理，使整個(gè)建筑物的質(zhì)心和剛心趨于重合，且X，Y兩向的剛重比接近。在結(jié)構(gòu)布置應(yīng)避免一字形剪力墻，若出現(xiàn)則應(yīng)布置成長(zhǎng)墻（h/w>8）；應(yīng)避免樓面主梁平面外擱置在剪力墻上,若無(wú)法避免，則剪力墻相應(yīng)部位應(yīng)設(shè)置暗柱,當(dāng)梁高大于墻厚的2.5倍時(shí)，應(yīng)計(jì)算暗柱配筋，轉(zhuǎn)角處墻肢應(yīng)盡可能長(zhǎng)，因轉(zhuǎn)角處應(yīng)力容易集中，有條件兩個(gè)方向均應(yīng)布置成長(zhǎng)墻；規(guī)范中對(duì)普通墻及短肢墻的界定是墻高厚比8倍以下為短墻，大于8倍則為普通墻，這就引起高厚比為7.9倍及8.1倍的兩種墻的受力特性截然不同，而配筋亦大相徑庭，這顯得比較機(jī)械而不合理，因此筆者建議布置長(zhǎng)墻時(shí)高厚比能大于9。
　　2). 配筋及構(gòu)造：對(duì)于小高層住宅來(lái)說(shuō),剪力墻是面廣量大的，因此合理的控制剪力墻配筋對(duì)于結(jié)構(gòu)安全及工程的經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的作用。
　　a) 剪力墻墻體配筋（以200厚墻體為例）一般要求水平鋼筋放在外側(cè),豎向鋼筋放在內(nèi)側(cè)。配筋滿足計(jì)算及規(guī)范建議的最小配筋率即可。筆者建議加強(qiáng)區(qū)Φ10@200，非加強(qiáng)區(qū)Φ8@200雙層雙向即可，雙排鋼筋之間采用Φ6@600x600拉筋。但地下部分墻體配筋則另當(dāng)別論。因?yàn)榈叵虏糠謮w配筋大多由水壓力，土壓力產(chǎn)生的側(cè)壓力控制，而由于簡(jiǎn)化計(jì)算經(jīng)常由豎向筋控制，此種情況下為增大計(jì)算墻體有效高度，可將地下部分墻體的水平筋放在內(nèi)側(cè)，豎向鋼筋放在外側(cè)。地下部分墻體鋼筋保護(hù)層按《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.6條規(guī)定：迎水面保護(hù)層應(yīng)大于50mm，且在保護(hù)層內(nèi)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.4條規(guī)定增設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)片。在這種情況下，很多設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行外墻裂縫驗(yàn)算時(shí)有效截面高度仍按保護(hù)層50mm計(jì)算，筆者認(rèn)為是不妥當(dāng)?shù)?。?dāng)采取了雙向鋼筋網(wǎng)片后，計(jì)算保護(hù)層厚度至少可按30mm來(lái)取值，這對(duì)節(jié)省墻體配筋效果相當(dāng)明顯。
　　b). 剪力墻按規(guī)范應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件，一.二級(jí)抗震設(shè)計(jì)的剪力墻底部加強(qiáng)部位及其上一層的墻肢端部應(yīng)設(shè)置約束邊緣構(gòu)件；其余剪力墻應(yīng)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第7.2.17條設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。本節(jié)僅就構(gòu)造邊緣構(gòu)件的配筋作一點(diǎn)討論。筆者認(rèn)為首先要區(qū)分剪力墻的受力特性及類別，即：普通剪力墻（長(zhǎng)墻），短肢剪力墻，小墻肢和一個(gè)方向長(zhǎng)肢墻而另一方向?qū)俣讨珘?lái)區(qū)別對(duì)待配筋。對(duì)于普通剪力墻，其暗柱配筋滿足規(guī)范要求的最小配筋率，建議加強(qiáng)區(qū)0.7﹪，一般部位0.5﹪。對(duì)于短肢剪力墻，應(yīng)按高規(guī)第7.1.2條控制配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2﹪，一般部位1.0﹪；對(duì)于小墻肢其受力性能較差，應(yīng)嚴(yán)格按高規(guī)控制其軸壓比，宜按框架柱進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，并應(yīng)控制其縱向鋼筋配筋率加強(qiáng)區(qū)1.2﹪，一般部位1.0﹪；而對(duì)于一個(gè)方向長(zhǎng)肢另一方向短肢的墻體，設(shè)計(jì)中往往就按長(zhǎng)肢墻進(jìn)行暗柱配筋，筆者認(rèn)為這并不妥當(dāng)，建議有兩種方法。其一，計(jì)算中另一方向短肢不進(jìn)人剛度，則配筋可不考慮該方向短肢影響；其二，計(jì)算中短肢進(jìn)人剛度，則配筋中應(yīng)考慮該方向短肢的不利影響。建議該短肢配筋率加強(qiáng)區(qū)1.0﹪，一般部位0.8﹪。
　　c). 剪力墻中的連梁跨度小，截面高度大，在地震作用下彎矩、剪力很大，有時(shí)很難進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果加大連梁高度，配筋值有時(shí)反而更大。連梁高度一般是從洞頂算到上一層洞底或從洞頂算到樓面標(biāo)高。對(duì)于門洞，上述所示情況梁的高度是一樣的；但對(duì)于窗洞，連梁高度如果從窗洞算到上一層窗底，有時(shí)則高度太高，這樣高跨比太大，并且與計(jì)算圖形不符，相應(yīng)配筋亦較大，不合理。筆者建議，連梁高度計(jì)算與設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)定從洞頂算到樓板面或屋面，對(duì)于窗洞樓面至窗臺(tái)部分可用磚或其他輕質(zhì)材料砌筑。對(duì)于窗臺(tái)有飄窗時(shí)，可再增加一根梁，兩根梁之間用磚填充。連梁配筋應(yīng)對(duì)稱配置，腰筋同墻體水平筋。
　　d). 目前，各設(shè)計(jì)院在剪力墻的樓層處均設(shè)置暗梁，而對(duì)暗梁的作用及配筋亦各有理解。筆者認(rèn)為對(duì)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，如剪力墻周邊僅有柱而無(wú)梁時(shí)，則設(shè)置暗梁，并且要求剪力墻兩端是明柱，這是因?yàn)橹苓呌辛褐募袅Γ拐鹦阅芤纫话慵袅σ?。剪力墻結(jié)構(gòu)則沒(méi)有這方面的要求，在墻板交接處設(shè)置暗梁對(duì)加強(qiáng)墻體整體性作用還是有的，但究竟有多大則無(wú)從確定。因此筆者認(rèn)為，就目前而言，在樓層位置設(shè)置暗梁是可行的，但沒(méi)有必要設(shè)置太大斷面及配筋，建議底部加強(qiáng)區(qū)斷面可取墻厚x300，配筋上下各2Φ16，一般部位斷面可取墻厚x250，配筋上下各2Φ14即可。
　　總之，小高層設(shè)計(jì)時(shí)如何把握好合理性，經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。在規(guī)范允許范圍內(nèi)，合理把握關(guān)鍵部位及次要構(gòu)件，什么地方應(yīng)加強(qiáng)，什么地方可以放松，對(duì)于整個(gè)建筑物保證安全及降低造價(jià)影響巨大，這也是我們?cè)诮窈蟮脑O(shè)計(jì)中要不斷提高及改進(jìn)的。