结合实例对某住宅楼结构设计问题的探析

该工程占地面积22161m2 ,总建筑面积68740m2 。主要包括南北两排高级住宅综合楼和东西两侧公建。南侧住宅综合楼(B～G座) 地上8 层,北侧住宅综合楼(J～R 座) 地上8～10 层。南北住宅综合楼均为剪力墙结构,南楼局部设有框支梁。东侧公建(H 座) 地上2 层,为高配套商业用房,框架结构;西侧公建(A 座) 地上4 层,为文化娱乐、健身中心,框架结构。南北住宅综合楼均设有两层地下室,南楼地下2层战时为六级人防物资库、平时为汽车库,北楼地下2 层为设备用房,南北楼地下1 层均为自行车库。南北住宅综合楼中间局部设有地下室,位于地下2 层,为单纯汽车库,其西侧局部从地下2 层至地面为游泳池,框架结构(局部含有剪力墙) 。两栋住宅综合楼中间地面拟建社区公园,有假山、音乐喷泉、热带树木、草坪、健身器材、夜景照明等。

2 结构特点

本工程整体设计思路要求典雅、高级、舒适。建筑立面风格追求欧式古典主义,平面布置讲究高度灵活性,可以居住、办公。为追求大尺度,部分户型房间开间达到12.8m ,进深达到14.7m。户型建筑面积在200～500m2 ,顶层带跃层。

由于开发商要求功能多样化、适应性强、个性鲜明,使得建筑设计平面与立面复杂、多变。所以与一般工程相比,本工程有鲜明特点,结构设计不利因素相对集中,体系相对复杂,给结构设计带来了很大难度,其结构特点具体体现在以下几个方面:

1) 高差悬殊(住宅综合楼与汽车库高差达8～11 层) ;

2) 超长混凝土结构(地下2 层建筑长度达177m) ;

3) 大跨度楼板(最大板跨12.8m) ;

4) 错层集中(两个部位剪力墙两侧层高分别为2.8m、3. 0m ,楼板层层交错设置) ;

5) 不规则坡屋顶(四坡屋项带老虎窗) ;

6) 部分剪力墙不能直接落在基础上(主要为南楼折线形外墙) 。

另外,本工程部分地下室设有人防层、游泳池。

3 技术施工

本工程复杂性,经过反复论证、综合分析比较,确定设计原则如下:

住宅整体结构采用剪力墙体系,墙体厚度为300mm 到顶,局部楼电梯间处墙厚200mm ,以提高结构整体性以及抗侧移刚度,并可以满足“新规范”对剪力墙厚度的要求。楼板采用大板块现浇预应力混凝土结构。针对该工程结构特点,具体技术措施如下:

1) 高差悬殊问题

设置两道沉降缝将南北住宅综合楼与中间地下汽车库完全脱开,沉降缝宽度为100mm ,缝内用粗砂填实。

2) 结构超长问题

从地下1 层开始设置伸缩缝将南北住宅综合楼分成若干单体,缝宽100mm。仍然超长的设置伸缩后浇带,后浇带宽800mm ,主体结构施工完后两个月用高一强度等级混凝土并加适量微膨胀剂浇灌,附加温度钢筋,加强施工养护,以解决混凝土结构超长问题。

3) 大跨度楼板问题

本工程结构最大板块跨度为12.8m ×14.7m ,根据工程经验确定板厚为280mm。先采用普通混凝土结构经过详细计算,在较大配筋率(0.65 %) 情况下承载力极限状态可以满足,混凝土相对受压区高度ξ(0.14) 不超限。但是正常使用极限状态下裂缝宽度验算为ωmax = 0.35mm ,超过限值ωlim =0.3mm;板块最大挠度为f = 0.0698m ,远远超出限值[ f ] =0.043m ,无法满足正常使用极限状态下裂缝宽度与挠度验算的要求。

4) 楼板错层问题

由于开发商特殊要求,本工程两个部位出现错层集中现象,剪力墙两侧层高分别为2.8m、3.0m ,具体为Q、R 座中间墙,J 、K座中间墙。这样使得楼板层层交错,而且错层部位楼板高差不一致。

具体处理措施为:加强错层部位剪力墙厚度,将该部位剪力墙厚度调整为400mm ,以提高剪力墙平面外刚度;剪力墙抗震等级提高一级,剪力墙分布钢筋配筋率提高到0.5 % ,并适当增加暗柱数量和配筋等。

在结构计算上采用弹性楼板假定。

5) 坡屋面问题

由于建筑立面要求,屋顶做成不规则坡屋面形式,水平跨度都在10～12.8m左右。下部为300mm 厚剪力墙结构,用层高限制,无法设置托柱梁,更不宜在屋脊交点位置楼板上设置立柱,形成不了框架结构,所以这种不规则坡屋面给结构设计造成很大困难。经过多种结构形式的比较分析、反复试算,确定采用空间刚架方案来解决,即在屋顶沿屋脊位置、窗间墙位置设置斜柱,柱截面高度与墙厚相等为300mm,柱截面宽度确定为600mm,并在屋顶部设置水平拉梁以构成空间刚架。

6) 框支梁问题

由于南楼地下2 层出挑部分为汽车库,采用大柱网框架结构布置。住宅部分从地下1 层开始,其部分外墙(南侧外墙) 不能落到基础上,而且外墙沿几条轴线布置,走向形成折线外形。轴线间距在各个部位不等,大部分为2 000mm。结构处理方法为采用框支托梁形式,把整个折线形外墙托起,以承担竖向荷载并传递水平地震力。经计算采用1000mm 高度没有问题,宽度各个部位有所不同,大部分为2500mm。

4 　结构计算

本建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为8°,场地土类别为Ⅱ类,住宅部分框架、剪力墙抗震等级均为二级,框支框架抗震等级提高为一级,单纯地下车库部分抗震等级确定为三级。采用中国建筑科学研究院PKPM 工程部编写的《SATWE》程序计算。由于主体结构在地下2 层开始采用沉降缝全部断开,分成了三个部分,其中汽车库仅设置于地下2 层,南北住宅综合楼地上层数较多,较为典型,尤以南楼具有代表性,现将南楼一部分(BCDE 座) 结构整体计算情况简单介绍如下:

1) 地震作用下层间位移角曲线

a - X 方向最大层间位移角= 1/1 821 ;

b - Y 方向最大层间位移角= 1/3 210

2) 地震作用下最大反应力曲线

3) 地震作用下结构周期周期如表1。

地震作用下的结构周期

表1 　地震作用下的结构周期

方向T1T2T3T4T5T6

X方向0.31820.10650.06250.05860.05460.0543

Y方向0.25150.12390.07700.04180.03260.0302

a - X 方向最大楼层反应力= 4 522.0kN;

b - Y 方向最大楼层反应力= 4 208.4kN

图2 　X 、Y 方向最大楼层反应力曲线ƒ

a - x 方向;b - y 方向
质心振动

图3 　质心振动

地震力　Q0 X = 32 216kN ,Q0 Y = 36 014kN

剪重力　Q0 X/Ge = 13.74 % ,Q0 Y/Ge = 15.36 %

最大层间位移= 1/1 821

轴压比μ:绝大部分剪力墙轴压比μ≈0 ,个别小墙肢最大轴压比μ= 0.23。

框架梁、柱、剪力墙、连梁配筋均无超筋情况,从整体计算结果看,本工程结构布置比较合理。

5 　地基基础

本工程由中国建筑科学研究院地质勘察公司提供详细“地勘”报告,地基持力层为第四纪沉积粘质粉土、砂质粉土④层,地基承载力标准值综合取值为f k = 160kPa ,地下水近3～5年最高水位为自然地面下3m。

中间地下汽车库采用上反肋梁式筏形基础, 底板厚500mm ,基础梁800mm ×1200mm;南楼亦采用上反肋梁式筏形基础,底板厚1 000mm ,基础梁800mm×1200mm;北楼采用平板式筏形基础,沿外围墙体做暗梁,底板厚1000mm。南北楼基础底板系根据板格跨度及施工方便,综合考虑统一确定厚度为1000mm。基础亦在适当位置设置伸缩后浇带,具体位置同上部结构。

6 　结束语

通过本工程设计实践,对结构设计有了更广泛了解和深入体验,并获得了一些新的认识。