时间：2022-04-05 02:11:04
关键词：高层住宅，结构体系，优缺点，适合
高层住宅建筑是商业世界竞争和相互推进的结果，随着建筑技术的不断发展，如新的结构的出现、玻璃幕墙技术的完善、电梯设备和水暖电设备的改进，使高层住宅的发展越来越适应于社会需求。高层住宅的结构体系也越来越得到众多设计者们得探讨，随着建筑业得不断发展，技术日益成熟，钢筋混凝土结构体系被公认为适应于高层住宅的结构体系。经过了10多年的工程实践，我国高层住宅结构体系也已经逐步成型，形成了短肢剪力墙、异形柱框架和扁柱（异形柱）――筒体三大结构体系，基本满足了不同种类高层住宅的需要。对于未来的不断发展不断创新，经过分析研究，新型的钢筋混凝土结构体系才能把人类高层住宅的建筑结构推向一个新的高度，二三十层的住宅建筑已经达不到人类需求，越来越高的建筑才是人们追求的创新和挑战，底部商业用房，中部办公用房，顶部住宅用房，会是未来可能出现的新型住宅形式，而刚臂芯筒――框架体系就是典型的代表。
一、短肢剪力墙体系
短肢剪力墙体系最突出的特点是可利用隔墙的位置来布置竖向构件，基本不与建筑使用功能发生矛盾。其结构平面布置灵活；剪力墙的位置、数量的多少、肢的长短可根据抗侧力的需要而定，容易使平面刚度中心与形心重合或接近，减少扭转作用。连接各墙的连系梁可隐藏在隔墙中，基本保证了室内空间的完整性。应用在塔式高层住宅时，可将交通服务区域处理成筒体，形成框架――筒体结构体系，以提高结构的整体抗推性能。
短肢剪力墙体系的结构布置应遵循六个基本原则：a）、各短肢剪力墙应尽量对齐，拉直；b）、短肢剪力墙应尽量分布均匀，数量适中；c）、在平面转角和凹凸处应布置短肢剪力墙，并考虑设计连系梁；d）、每道短肢剪力墙宜有两个方向的梁与它相连，即一般不采用一字型的短肢剪力墙；e）、短肢剪力墙的厚度以采用200mm、250mm、300mm为好；f）、在必要时也可以混合布置方柱和扁柱。
实例分析：
图1
如图1、这是某地区一个高层住宅，该住宅为每层4户，共28层的塔式高层住宅。从底至顶均为住宅用途，不存在结构转换的问题。由于建筑高层较高，采用筒体包裹交通服务核心，其余部分采用短肢剪力墙，大多都采用了T形、L形且基本对齐，拉直。由于建筑设计的要求，局部采用了一字型剪力墙。在平面凹槽部分设置了连系梁，以减轻应力集中的现象。
短肢剪力墙结构是十几年前在南方沿海地区发展起来的一种结构形式，为克服剪力墙结构刚度太大的缺点，适当减少墙体长度，使墙肢截面高度与厚度的比值为5～8。在设计之初，没有明确的国家规范，其设计理论、计算方法和构造措施均参照剪力墙结构设计进行，所以设计随意性较大。短肢剪力墙的受力、变形特征，类似于框剪结构。但比框架结构的刚度分配、内力分配更合理，结构的变形协调导致的竖向位移差别，也比框剪结构小，则传基础荷载更均匀、合理。短肢剪力墙结构体系由于自身的优点，它可以灵活布置，墙肢可长可短，房间内不会出现露梁露柱的现象，且短肢剪力墙的抗震性能也优于异形柱结构。
由于短肢剪力墙结构中，除墙肢平面内有梁外，常垂直墙肢方向也应有梁，此类梁由于支座上铁难以满足锚固（0.4LEa）构造要求，同时整体计算中不计算墙肢平面外作用，梁端只能按筒支考虑。墙和梁与轻质隔墙砌体隔墙之间，由于材料不同易产生裂缝，采取的措施只能减少裂缝增加造价。抗震性能也比一般剪力墙要差，尤其设烈度为8度房屋层数较多时，采用短肢剪力墙要慎重。
二、异形柱框架体系
在以往的结构设计中，原则上要求框架结构的柱采用矩形柱，矩形柱具有良好的受力性能，计算理论比较完善，穿力途径明确，而且在长期的工程实践中积累了大量的经验，但矩形柱用在民用建筑，特别是在住宅建筑中，随着建筑高度的增加，柱截面也随之增大，给房屋内部的布置造成了极大的不便，于是今年来采用的异形柱框架结构体系便很好的解决了这一个问题。异形柱肢的厚度一般与墙隔厚度一致或接近，使得抹灰完成后，室内空间完整，不露柱角。
实例分析：
图2
图2为某高层塔式住宅，大部分采用了框架异形柱体系。
延性是结构抗震的一个重要指标，在异形柱延性的研究中，已经发现L形、T形柱在纯腹板受压时其截面延性很差，并且导致其轴压比限值也比普通矩形柱小很多。异形柱由于多肢的存在，其剪力中心与截面形心往往不重合，多为双向偏压受力构件，在受力状态下，各肢将产生翘曲正应力与剪应力，剪应力使柱肢混凝土先于普通矩形柱出现裂痕。异形柱框架体系是框架体系的一个分支，因此它的抗侧向力水平不高，常用于7度以下抗震设计，12层以下的住宅。由于异形柱框架体系的历史不长，又未经过强烈地震的考验，对其抗震性能还有不同的意见，所以应该谨慎采用。
三、扁柱（异形柱）――筒体体系
由于核心筒体的存在，扁柱（异形柱）――筒体体系有更大的抵抗水平荷载的能力，因此它适用于30层左右，建筑高度在100m以内的高层塔式住宅。
扁柱（异形柱）――筒体体系的结构布置应遵循三个原则a)、扁柱、异形柱需按一定规律布置，使柱网规整，且上下对齐，尽量避免设置结构转换层；b）、扁柱、异形柱平面结构布置――其长边方向应在纵横两个方面都有分布，避免平面两个方向的刚度差异过大；c）、异形柱墙肢厚度不宜小于300mm，扁柱沿高度方向变截面时药避免刚度突变。
实例分析：
图3
图3为某高层塔式住宅，一梯三户的平面布局，结构上采用了扁柱（异形柱）――筒体体系，在山墙及分户墙处，局部设置剪力墙，既提高了结构的抗推性能，又不影响住户的使用。
四、刚臂芯筒――框架体系
现代住宅建筑要求大开间，平面及房间布置灵活、方便，室内不出现柱楞、不露梁等。异形柱与短肢剪力墙结构能较好地满足现代住宅建筑的要求，因而逐渐得到了推广应用。但对于立面的处理较为局限性，形式较为单一不能使建筑空间得到随意的应用。笔者就对新型的钢筋混凝土进行了大胆推测，认为刚臂芯筒――框架体系能很好的解决这一个问题。与筒中筒体系相比，由于它没有立面开洞率的限制，就为建筑立面造型提供了更大的自由度，也为使用者提供了更为开阔的视线景观。
在我国，还没有设计者把刚臂芯筒――框架体系应用于高层建筑住宅中，因为它每20层左右就要设置刚臂，这对于普通单一的住宅建筑造价未免有些过大。随着城市人口的不断增多，用地日益紧张，人类对高层的需求也越来越大，底部商业用房，中层办公用房，顶层住宅用房的形式可能会得到推广，得到大家的认可。与芯筒框架体系相比较，刚臂芯筒――框架体系通过设置“刚臂”将外圈框架柱与芯筒连为一体，形成一个整体构件来抵抗倾覆力矩，这样就相当于加大了力偶臂，从而大大提高了结构的抗推强度，它适用于更高的高层建筑，这也满足了在未来人们对高层的追求。
刚臂芯筒――框架结构是高层和超高层建筑的一种优越结构形式,这种结构形式具有较大的抗侧移刚度;但是刚臂的设置带来的芯筒刚度和内力沿楼高的突变等问题,容易造成结构在大震下的隐患。另外,刚臂芯筒――框架结构体系设置多道防线较难。针对该类结构体系在进行抗震设计时应当注意的问题同时耗能减震技术在该结构体系中的应用也是我们再设计过程中的新挑战。
四、结语，并非有最好的结构体系
并非有最好的结构体系，但有最适合的结构体系。每一个结构体系的诞生都有它应用的建筑空间，各个体系都各具特点, 一些成功的建筑整体，往往结构体系并非最好的形式，有可能它在受力合理性和经济性上并非最优，设计者往往在追求不同的目标而牺牲一部分东西，使建筑的整体合理性达到最大化。结构方案的选择是结合业主意见、当地抗震设防烈度、工程造价、建筑使用功能、当地审查机构的认识等诸多因素来决定的。建筑将会越来越复杂，功能越来越齐全，同时给高层建筑结构分析与设计带来更多的研究课题，也提出了更高的要求。
参考文献：
《高层建筑设计资料图集》 沈阳辽宁科学技术出版社 1995
《建筑设计资料集》 北京中国建筑工业出版社 2005
《住宅设计资料集》 北京中国建筑工业出版社 1999
关键词：高层住宅；转换层；结构设计
随着社会经济的发展，越建越多高层建筑进入到我们到的生活。然而很多高层建筑使用功能不是单一的，建筑上部跟下部之间要满足不同功能要求，例如有些建筑下部楼层用作商场、餐馆和文化娱乐设施，上部楼层作为住宅。我们知道商业服务设施往往要求开放的大空间，而住宅这部分需满足居住功能，不需要像商业那样的大开间以及不允许柱角外凸等要求。因此为了满足上下层建筑使用功能，结构上必须设置转换层（transfer story），以协调上下部楼层之间结构上的“转变”。转换层的设置属于“非规设计”，从荷载传递、抗震等方面来看都不是很有利的，所以在《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010（简称《高规》）中归入了复杂高层建筑范畴，可以说转换层的处理是带转换层高层住宅结构设计中的关键部分，对设计技术要求较高，所以本文对这部分内容进行了分析和探讨。
1 转换层的结构类型与选择
1.1 转换层的主要结构类型
从结构体系角度区分，带转换层高层住宅可分为“上剪下框”和“上小下大”两种类型。“上剪下框”是指转换层以上结构为剪力墙结构，转换层以下为框架筒体结构或框架剪力墙结构；“上小下大”是指转换层以上为小柱网的框架结构或筒体结构、剪力墙结构，转换层以下为大柱网的框架结构或筒体结构、剪力墙结构。按照结构形式，也可分为两种类型：一种是梁式转换，如梁式结构、桁架结构、空腹桁架结构、箱型结构、斜撑结构等；另一种是板式转换，主要由现浇整体厚平板组成。随着社会的发展，转换层结构形式近几年还出现了塔接柱转换结构、宽扁梁转换结构、斜撑转换结构等形式[1]，使转换层结构设计有更多的选择。
1.2 转换层结构类型的选择
梁式转换结构在带转换层高层住宅结构设计中应用比价广泛。因为梁式结构传力直接明确、计算分析较方便、造价较节省等优点成为设计人员的首选。但是转换梁比较高，而且《高规》10.2.8-6规定“转换梁不宜开洞”，深梁式转换有时不利于设备层使用。如果深梁不能满足使用要求的情况下可选用宽扁梁转换形式，宽扁梁转换形式有利于降低结构高度可以方便设备安装。但造价相对于深梁转换要高。随着宽扁梁设计理论和实践的成熟，扁梁转换可作为梁式结构的又一转换形式。斜撑转换结构结构受力比较好，而且采用型钢混凝土施工方便快捷，可以使转换结构受力更加合理，结构更加经济，但是有时受使用空间的制约，在满足使用功能的情况下斜撑转换是一种不错选择。板式转换高度小但结构厚重、材料利用率低，而且受力复杂、计算困难、配筋不便，所有应用比较少。箱形转换层是解决转换梁较大扭矩的结构形式，但造价也比较高所以在建筑工程中应用也不常见，桁架结构采用预应力结构是一个不错的选择，但是由于设计经验少，有时需要通过试验研究才能确定参数，这在一定程度上限制了它的应用。
2 转换层结构设计中的一些问题讨论
2.1 转换梁上偏心剪力墙的处置问题
在结构设计中，经常出现上部剪力墙轴线与转换梁轴线不对齐的情况，此时在转换梁中将形成比较大的扭矩。应用三维实体有限元计算分析，偏置剪力墙形成的扭矩在转换梁中形成很大的应力，其数值远大于平面内的主应力，这种情况容易造成深梁受压区失稳，因此要采取措施解决偏心扭矩对转换梁所造成的不利影响。解决转换梁较大的扭矩的方法[2] 有几种：（1）设置箱形转换层，即利用转换层上下楼板来共同抵抗偏心扭矩；（2）加大转换梁截面，并增加抗扭钢筋抵抗偏心扭矩；（3）在剪力墙端部增加楼面梁；（4）在高位转换结构中，不增加梁截面和混凝土用量，而加大梁高、减小梁宽，以此提高层间抗侧移刚度，减轻转换层上、下部分刚度突变，而由楼面梁解决稳定问题。在这4种方法中比较加设楼面梁的方法最为经济，设置箱形转换层经济性最差，加大转换梁截面也不经济，并且该方法无法克服梁扭转带给上部剪力墙的形变和内力问题。设置楼面梁的方法，如图1所示。
2.2 竖向荷载引起框支梁上部剪力墙超筋问题
有这样一个案例[3]，转换层框支梁上部一层的剪力墙超筋现象非常严重，一些剪力墙墙肢剪力达到几千kN，弯矩超过1万kN・m，经查转换层相邻结构的等效刚度比在《高规》附录E.0.2规定的范围内，说明超筋问题并非由水平地震剪力引起。后经过多方分析，超筋由竖向载荷引起。因为剪力墙刚度较大，转换层上面一层墙体竖向变形较小，与之相比框支梁刚度较小，会引起较大的变形，如此一来梁、墙之间变形的不协调，会在转换层以上楼层内形成内力的突变。根据这样的分析结果，可以采取以下措施：（1）增加转换梁的刚度，可以通过增加梁高减小宽度的做法来提高梁的抗弯刚度；（2）布置转换层上下结构时，避免相邻两片墙体分别落在墙柱硬支座和转换梁软支座上，若无法避免则增加两片墙体之间的距离；（3）增加剪力墙厚度，同时减少配筋率，适当降低墙的刚度；（4）在剪力墙中部开洞，以协调框支梁的的刚度。采取以上措施，再经有限元计算，超筋现象大为改善。
2.3 转换层下框支柱截面与配筋控制问题
《高规》表6.4.2列出框支剪力墙结构柱轴压比限值，抗震等级一、二级时分别为0.60和0.70。限制轴压比的主要目的是为了控制框支柱的延性并满足抗震要求。再据《高规》第6.4.3条框支柱纵向受力钢筋的最小配筋率，对于抗震一级为1.1%，二级为0.9%；对Ⅳ类场地较高的高层建筑，还要在此基础上再增加0.1%。为了满足轴压比限值要求，同时又要经济，有些设计人员采取减小框支梁截面尺寸同时加大框支柱截面尺寸的做法，这样会产生一种效果，框支柱“包着”转换层上部的剪力墙，但因为框支柱的起算高度从转换层楼面到基础顶面（个别框支柱高度达20～30m），而全截面又要满足配筋率要求，那么通过框支梁节省下来的材料用量就不足以抵消加大框支柱所增加的材料用量，而且这种做法对改善侧移刚度贡献不大[2]，所以这实在是一种得不偿失的做法。
2.4特定条件下框支剪力墙结构抗震设计问题
《高规》10.2.25条规定“部分框支剪力墙结构中，抗震设计的矩形平面建筑框支转换层楼板，当平面较长或不规则以及各剪力墙内力相差较大时，可采用简化方法验算楼板平面内受弯承载力”。“平面较长”未限定具体的量值，在处理上难免遇到一些困难。首先应根据经验去确定，缺乏可靠的设计经验时，可以将平面长宽比大于等于3作为“平面较长”的界限[4]。长矩形平面建筑的剪力间距，本条文未予说明，可按照《高规》8.1.8条表8.1.8进行选取。框支层楼板平面内受弯承载力的验算，规定可以采用简化方法，但没有规定具体采用那种简化方法，故应结合工程实际情况进行简化计算，或采用几种简化方法计算后进行比较。采用连续梁法简化验算时，可将框支层楼板简化为图2～3所示情况，框支层楼板支撑在落地剪力墙上（支座），不落地剪力墙底部剪力作为集中荷载，或可按照《高规》10.2.24条中公式进行计算。如果落地剪力墙抗侧刚度较大，还应检查落地剪力墙支撑是否有效，必要时需作出适当调整。
3 带转换层高层住宅结构设计应用
3.1 工程概况
该项目为茂名市和兴苑高层多功能住宅楼。建筑1～3层为商业用途，层高5.5m；4～25层全部为住宅，层高皆为3.0m；总高度为79.5m。设防烈度为7度，场地为Ⅲ类，基本风压为0.65kN/m2。结构抗震等级方面，框支柱、框支框架、底部加强区剪力墙均取一级，非底部加强区剪力墙取二级。
3.2 结构方案
该工程平面形状较为规则，其中高宽比为5.1，长宽比为1.4，转换层设在3～4层之间，转换层以上楼层既无外挑，也无收进，结构平面与竖向布置均符合《高规》要求。转换层方案采用成熟可靠的梁式转换。构件尺寸及材料如表1所示，转换层与标准层平面结构布置如图4～5所示。
3.3 设计计算
本项目设计采用SATWE和Midas Building两款三维空间分析软件进行计算。其中周期比（）：SATWE为0.79，Midas为0.82。最大层间位移角：SATWE为1/1.2402（向）、1/1.5919（向）；Midas为1/1.2400（向）、1/1.6011（向）。最大层间位移比：SATWE为1.22（向）、1.19（向）；Midas为1.19（向）、1.05（向）。这几项数据均满足《高规》要求。楼层结构抗剪承载力及抗侧刚度比，是判断结构是否在承受水平方向作用产生侧向变形以致破坏的重要指标。最小楼层抗剪承载力之比：SATWE为0.99（向）、0.95（向）；Midas为0.97（向）、0.97（向）。转换层上下等效侧向刚度比：SATWE为1.2402（向）、1.5919（向）；Midas为1.2400（向）、1.6011（向）。这两项指标也满足《高规》要求。因此，通过两款软件的对比，最大层间位移角、最大层间位移比、结构抗剪承载力及抗侧刚度比等各项计算指标能满足要求，可以对该结构进行转换。
4 结语
为了满足建筑上下层各种功能需求，高层建筑带转换层结构的应用越来越普遍。转换结构合理性决定了整幢建筑的安全性和经济性，因此我们应在符合规范的基础上正确合理设计转换层，能使我们的建筑结构更加安全、更加美观、更加实用和经济。
参考文献：
[1] 傅学怡. 实用高层建筑结构设计[M]. 2版. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
[2] 黄凯，屠传慧. 转换层设计中几个重要及常见的问题[J]. 工程建设，2012，44（6）：20-22，43.
关键词：高层住宅；结构；设计优化
中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：
0引言
高层住宅结构优化是指对建筑物结构进行合理分析，提出结构设计优化方案，目的是在设计满足国家相关建设法规的前提下，提高建筑物的技术质量，降低总成本，是投资利益最大化，并且能保证建筑物抗震性能和安全性。结构设计优化是对设计再次分析，再次加工的过程。让住宅结构刚度适中、均衡整体结构布局、减小构件在外力影响下的变形或者破坏，达到既美观又坚固抗震的效果，这是高层住宅结构优化的目标。
在高层住宅结构优化设计中，每一道工序都要精心设计，做到计算合理准确，方案合理可行，本文对设计优化存在问题进行分析并提出几点可行建议。
1高层住宅结构设计现状
1.1 住宅结构设计现状
低层建筑和高层建筑横向和竖向的结构体系设计基本原理是相同的，但是建筑高度越高，竖向结构设计越难，这也是建筑界正在努力解决的问题之一。住宅结构越高，就要求有较大的柱子或者墙来承受垂直压力负荷，这对建筑材料的要求比较高。另外，住宅越高，侧向力所产生的剪切变形和倾覆力矩就要大得多，而且侧向荷载产生的响应并不是线性的，而是随着高度增加而迅速增大，在现代高层住宅建筑物中，重要的问题是整体抗弯和抗变形，抗震等，高层建筑与低层建筑结构有着很大差异，需要考虑的因素也很多，例如共振，扭转，水平侧向位移等。所以，高层住宅结构设计比较困难，考虑因素复杂多变，影响因素很多所以在设计的时候，要从整体上进行把握，设计出实用性强的好方案。
1.2 高层住宅结构设计影响因素
住宅越高，安全性就越来越要重视，抗震性能也要增强，所以设计中要考虑的因素也就增多，主要影响因素有水平荷载，轴向变形，侧移等。
(1) 水平荷载.。水平荷载是需要考虑的决定因素，一般来说，竖直方向上载荷在构建中受力只与楼房高度有关，但是水平受力却比较复杂，且易受外界条件影响，数值变化不定，所以其是影响住宅结构设计因素。
(2) 轴向变形。在高层住宅建筑中，楼层越高，竖向负荷就越大，能够在轴向引起较大的变形，影响建筑结构的连续梁弯矩，将会引起连续梁之间支座点的负弯矩值降低，造成端支座负弯矩值以及跨中正弯矩值增大，从而引起预测材料长度不准确，对下料长度产生影响。
(3) 控制指标侧移。结构侧移量是高层建筑结构设计要重点考虑的因素，这一点与低层楼房不同，楼房高度越高，侧移量在水平荷载影响下变形越明显，所以在设计的时候，要注意在水平荷载作用下的侧移要控制在要求范围之内。
2高层住宅结构设计优化
2.1 选择设计结构方案
进行高层住宅结构设计优化时，首先要进行结构方案的选择。结构方案的好坏决定了结构设计的好坏，对于同一个建筑设计要求，其结构方案往往是不唯一的，但是不同的设计方案会影响工程质量和工程造价，在设计时，一定要选择合理的结构设计方案。可以遵循以下原则。
首先，根据相关建筑规则的规定来完成结构设计方案总体要求，处理好结构与结构的相互关系，充分发挥结构的最佳受力状态，是结构尽可能简单明确，直接易懂，具有足够的承载力，良好的延性和刚度。
其次，要保持结构的安全可靠。应该仔细考虑每一个构件，使各个构件能够相互协调，发挥最大功能，保证设计目标水准，使结构既经济又安全。
最后，要积极与建筑专业进行互动交流。结构设计者往往对建筑的材料不是很了解，在设计结构方案时，要与建筑师进行交流，听取他们提出的建议，结构设计师要充分理解结构概念，真实客观地进行设计，通过反复优化，修改，最后设计出造价最低并且质量最好的结构方案。
2.2 设计优化
在进行高层住宅结构设计优化时，首先是要对建筑工程进行基础设计，主要有结构承重体系设计，抗震缝的处理设计等，基础设计完成后，就可以开始进行优化设计了，在优化设计时，要注意以下几个方面：
(1)正确认识结构设计优化的重要性。现在房地产已经是一个大产业，人们对住宅要求也越来越高，而作为投资方，追求的是利益的最大化，进行住宅结构优化的设计，不但可以有效降低总成本，还可以使建筑结构更美观安全，能经济合理的节能降材，从而降低工程造价。高层住宅结构设计优化，首先要仔细阅读建筑结构图纸，综合考虑各种因素的影响，经过反复优选等过程，达到设计优化目标，对原结构方案设计进行改进，合理进行构件布置，适当选择构件尺寸等，做到精益求精，最后提出优化建议。
(2)设计方案优化。这部分是设计优化的重点，不仅要进行抗侧力单元优化设计，还要进行框架结构优化设计。使设计符合抗震要求，在各项参数都符合规范要求的前提下，不断进行优化设计，尽量减少剪力墙的数量和厚度，使结构两个方向刚度接近两个方向水平位移，达到最佳受力状态。
在设计时，首先要进行结构分析，主要由竖向抗侧力构件构成，包括剪力墙，筒体，框架等。主要分析他们的受力状态，使构件充分利用起来。在进行计算分析时，不能盲目地依赖计算机，还要结合工程师的实际经验，选择合适的计算参数，经过多次计算比较，找到最佳参数值。要注意实际结构与计算模型的偏差，因为计算机在计算的过程中，需要对模型进行假定，而实际结构错综复杂，所以计算值与实际结构会有差异，在通过计算值来选择结构时，要充分结合实际情况来分析。
其次进行框架结构优化主要是根据住宅结构平面，分析竖向荷载和水平载荷，核实实际情况，合理布置构件，选用合适材料，结合实际材料构造进行结构分析和内力分析，根据分析结果适当调整结构设计。
3)地基处理的优化。高层住宅建筑更要注重地基的处理，否则将前功尽弃，在选择地基时，要选择地质条件不复杂，容易施工的地质，因为地质条件越复杂，地基处理造价越高，而选择相对简单的地质条件，不仅可以降低地基处理的成本，地基安全度也会增加，从而降低工程造价，提高工程性价比。
3结论
高层住宅结构设计优化能够有效降低工程造价，带来可观的经济效益，不仅能让建筑物安全实用，又能使其经济美观，舒适。所以进行结构优化设计至关重要，实际设计中，要结合实际情况和具体条件来灵活运用设计优化方法，实现住宅建筑设计既安全又经济。
4 参考文献
关键词：多高层；钢结构；住宅设计
一、前言
钢结构建筑的发展水平从某种角度来说是衡量一个国家经济发展水平的重要标志之一。多高层钢结构住宅由于其所采用的建筑材料、适用范围和产业化的特点，使其建筑设计方法与于普通意义上的钢筋混凝土和砌体结构建筑的设计有较大的不同。其自身的特点要求其建筑设计方法应该满足三个方面的要求。其一，以钢结构作为主要的结构材料，其建筑设计应充分发挥钢结构强度高、刚度大的特点，尽量采用大空间的布局方式，保持室内空间分隔的灵活性，在满足近期不同使用需求的情况下，还可满足远期改造的要求;其二，由于其适用范围为多高层住宅，其建筑设计必须符合多高层住宅设计的特点，一方面必须满足住宅设计的相关规范要求，另一方面，必须满足当前和日后市场对住宅设计的舒适性和审美要求;其三，钢结构住宅设计应该符合产业化的特点，建筑设计应执行标准化、多样化的特点，积极采用新技术、新材料，以促进住宅产业化的发展。
二、多高层钢结构住宅设计注意事项
1.多高层钢结构体系选型设计
目前国内进行多高层钢结构住宅建设所采用的结构体系主要分为四种:1)纯框架形式;2)框架支撑形式;3)型钢混凝土组合形式;4)钢框架一混凝土抗震墙形式。对于纯框架形式，梁柱材料采用型钢，通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装。框架支撑形式同纯框架形式类似，只是由于抗震需要，在主体结构两个主轴方向布置斜撑，钢斜撑与型钢柱和梁连接组成竖向抗侧力析架，从而取代传统的混凝土剪力墙，安装方式同样采用焊接或螺栓连接。型钢混凝土组合形式的特点是在钢骨架梁柱外侧另外浇筑一层混凝土，新浇筑的混凝土不仅起到结构作用，同时有助于解决主体结构的防腐、防火问题。钢框架一混凝土抗震墙形式，外部梁柱系统采用型钢，同样通过焊接或螺栓连接的方式进行组合安装，内部核心筒或剪力墙采用现浇方式施工，通过预埋构件同钢结构框架相连接，共同组成结构系统。这种结构体系的用钢量低于纯钢结构，施工速度介于纯钢结构和混凝土结构之间。但钢与混凝土材料的刚度和延性相差较多，目前主要在低烈度地震区的高层钢结构住宅中采用。钢结构住宅设计时应根据安全可靠、经济合理、施工方便等原则，并结合建筑使用功能、建筑模块和建筑维护结构以及抗震设防烈度等要求合理择优选用抗震和抗风性能好的结构体系，以保证结构具有足够的抗风、抗震能力和满足住宅特点的使用功能。
2.多高层钢结构平面及空间设计
钢结构住宅通常为框架体系，结构体系与围护体系完全分开，两者相互独立，围护墙体可以根据需要灵活设置，建筑空间处理的任意性大大高于以墙体承重为主的传统住宅。同时钢框架由于刚度较大，结构构件均较为纤细，可以节约出更大的有效空间。基于以上对于钢结构住宅空间结构特点的分析，平面及空间设计中应遵循的原则是:通过建筑、结构、设备各专业的配合，达到平面及空间使用上最大限度的无障碍性和组合灵活性。对住宅可变性的要求，更加积极促进了钢结构在住宅中的应用。根据结构可能变换的程度，平面布置的灵活性分为五个等级一级灵活性:分隔构件的变化、布置;如折叠式隔墙、作为空间分隔的家具等，这些可以任由房屋的使用者改变。二级灵活性:空间隔墙的拆改;包括可移动的预制构件、可拆卸的隔墙。三级灵活性:承重结构的改动;如:建筑物的加高、加固，为增大空间而拆除部分中间支撑，增加或改变楼梯的位置。四级灵活性:除基础以外上部结构的全面改动;五级灵活性:全部重建。对于住宅而言，比较可行的灵活性应限制在前两种。大开间钢框架体系为内部非承重隔墙的改造提供了方便，但考虑到住宅中设备管线的分布，因此希望设中要考虑集中布置的核心管井，而各入户管线应尽量埋设在楼板中，以方便隔墙的变动。
3.多高层钢结构墙体设计
钢框架建筑的荷载由梁柱传递，墙体不起承重作用。这是钢结构住宅墙体与传统的砖混或内浇外砌剪力墙住宅的根本区别。这一特点使钢结构住宅墙体成为纯围护结构，不再受结构空间的限制，可以根据居住空间的要求灵活分隔。钢结构住宅的外墙作为住宅基本维护结构，必须满足承载能力、热工、防水、隔声、防火、抗冻等方面的要求。多高层钢结构外墙的设计原则有：舒适性，指外墙材料必须满足居住空间的各项建筑物理性能，在温湿度、声、光、空气流通等方面创造适宜的居住环境；耐久性，包括墙体材料本身、连接件、密封材料以及外观效果在住宅建筑结构寿命期内的耐久性。外墙直接暴露在大气中，受外界环境的侵蚀很大，应该提倡在不影响居住的前提下可以及时进行局部更新的材料和构造做法；外墙材料应尽量地方化，降低运费并便于日后维修时就地取材。钢结构住宅的内墙应尽量采用非承重轻质隔断墙，其主要功能是将使用空间分隔开来，内隔墙材料及构造做法应满足居住建筑各项物理环境性能标准，强度和防火安全要求，特别是作为防火分区的隔墙，必须确保墙体耐火极限要求。固定墙体如分户隔墙、楼电梯间及走廊等公共部分墙体，应满足建筑物耐久年限的要求，厨房卫生间等有水房间墙体应具有防水功能，在使用年限内不应发生渗水、漏水现象，墙体材料不应霉变、老化。分户墙的选择应在安全可靠，隔声效果达标的基础上尽量选取轻质耐久的材料;户内隔墙应优先选用质轻、高强、拆装方便的材料，墙内走线应灵活可变。
4.多高层钢结构防火设计
钢结构虽然是不燃烧体，但其材料化学特性决定了钢材不耐火、不抗烧，极易导热。普通建筑用钢材，在全负荷状态下失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右，一般在300℃~400℃时钢材强度就开始迅速下降。一般无任何保护及覆盖物的钢结构的耐火极限只有15分钟左右的时间，远远低于建筑设计防火规范的要求。因此，普通建筑用的钢材作为建筑物的承载主体，一旦发生火灾，在高温作用下，其承载力急剧下降，致使钢结构不可避免地出现变形，造成建筑物部分或全部坍塌。钢结构的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三种。外包混凝土是解决钢梁及钢柱防火、防腐的最好措施，这种方法利于防火层的耐久性及今后的维护。但该方法会增加建筑物的总重量和施工工期。外涂防火涂料只需根据各种防火涂料的耐火性能及耐火极限要求，满足厚度相应的厚度，但防火涂料的耐久性远远低于建筑物本身，需要后期维护。防火板可以根据梁柱的不同形状，对钢梁进行包裹，使其达到所需的耐火极限。防火板的耐久性比防火涂料更长，后期维护也较为方便，但价格较高。设计时应根据具体情况合理选用防火措施。
5.多高层钢结构住宅楼板设计
建筑物楼板结构必须具有足够的刚度、强度和保证梁的整体稳定性。对于住宅建筑还要有良好的隔声、防火性能，同时要考虑在楼板内敷设管线的空间。钢结构的基本元件是冷弯或热轧的型钢和钢板，它的承载能力高，外部尺寸小，重量轻，由于框架这种形式，建筑内部支撑少，空间布置的灵活性大。在设计中，针对结构材料和类型特征，应把握如下设计准则: ①设计中综合考虑布置梁柱的位置，特别是柱的形式、排列和柱距，应最大限度地满足居住空间灵活性的要求；②选择合理的楼盖结构跨度，既不要太大，也不要太小；③选择适当的位置布置结构支撑体系，以不妨碍建筑空间布局为宜，应避免设在有门窗洞口或将来住户有可能开设门窗洞口的位置。④选择适宜的钢结构类型，考虑人力、气候、原材料、工期、造价等综合因素的影响。⑤结构构件设计应尽量简化且尺寸精确，以免增加现场安装的困难和导致废料的产生。⑥选择隔声、防渗效果好的楼板体系，保障居住环境的舒适性
三、结语
总之，轻钢结构住宅是国外许多发达国家普遍采用的成熟技术，其优良的技术性能和业化生产方式，在一定程度上体现了住宅产业现代化的方向。目前，越来越多的工程技术人员在从事钢结构工程的设计，设计水平在不断提高；通过最近几年钢结构住宅工程的施工，也积累了许多宝贵的实践经验，可以预见，在不远的将来，多高层钢结构住宅必将会大行其道。
参考文献:
[1]周学军，焦红，王松岩.钢结构与钢筋混凝土结构小高层住宅的经济性分析[J]山东建筑工程学院学报，2004，4(19)
【关键词】:高层住宅；建筑；结构设计；分析
中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
引言
随着我国城市化进程的不断加快，城市人口越来越多，对于城市住宅造成了巨大的压力，城市用地日益减少，为了缓解城市紧张的用地情况，高层住宅建筑开始兴起，其投资规模以及高度不断的加大。由于建筑环境以及相关的知识理论的日趋复杂，高层住宅建筑的结构设计问题日益突出。高层住宅建筑的设计本身具有一定的风险性，如果设计不当很有可能造成难以挽回的严重后果，因此，传统意义上的建筑设计理念已经无法胜任当前高层住宅建筑设计的需要。明确了建筑设计的复杂性和必要性，面对现代高层住宅建筑设计的新问题和新挑战，对建筑结构设计的本质和规律进行深入的了解和认识，这是现代高层住宅建筑建设实践的必要要求。同时时代的发展，建筑风格的变化多样，又给高层住宅结构设计提出了新的课题和新的挑战，高层建筑结构设计也越来越成为结构设计工作的重点和难点。
一.高层住宅建筑结构设计的基本要求
1.满足安全性和耐久性要求
商品化后的高层住宅建筑就成为了广大住户的耐用消费品, 高层住宅建筑能够区别于其他消费品的最大特点就是使用寿命长。因此, 住宅结构设计的最基本的要求是结构耐久性和安全性。在材料的选用以及结构体系的选择上,都应该对于抗风抗震是非常有效的, 以及在使用寿命期间维修改造的可能性。
2.满足舒适性要求
高层住宅建筑设计应该住满足住户生活起居的舒适性要求, 例如, 灵活分隔室内空间, 多种户型, 人居的声、光、热的环境等要求, 为此结构设计应较好地配合机电和建筑专业, 尽可能在居住空间中避免采用隔音较差的分隔墙材料和露梁露柱的压抑感, 使室内隔声较好,简洁明快,给居住者创造一个幽静舒适的环境。当采用剪力墙结构时, 宜采用大开间布置，以便考虑住户日后改变分隔空间的可能性。
3.满足经济性要求
住宅作为商品, 开发商为有利可图,经济效益好, 要求投入少,购房者则要求房屋设计布局好, 外观美,质量上乘, 房价适中。因此, 结构设计应根据房屋的平立面体形、层数多少、建造地点, 在满足耐久性、舒适性和安全性要求的前提下采用经济合理的结构体系, 严格执行规范构造要求, 在构件设计中应精打细算,注意避免不必要的浪费。尤其在地基基础设计中更应该注意方案的经济比较,因为地基基础设计方案合理与否对房屋造价至关重要。
二.高层住宅的结构体系
1.剪力墙承重体系
在高层建筑中为了将非承重隔墙的数量有效的进行减少，常常使用剪力墙结构。和框剪结构相比，剪力墙的对钢材的使用量要少很多，并且建筑内部的梁柱不会露出，深受用户的欢迎。将一些剪力墙进行合理的纵横相交，在作为承重结构的同时，还可以充当分隔间断墙。由于剪力墙综合交错形成剪力墙体系，能够在很大程度上提高刚度，可以有效的提高建筑整体的抗震能力和抗风载荷。当然，剪力墙结构并不是没有缺点，由于综合交错的剪力墙将空间分割的比较细碎，严重束缚了建筑的平面布局。针对这个问题，可以采用跨度相对比较大的楼板和轻质的隔断相搭配，从而实现内部空间的灵活组织。
2.剪力墙结构体系
高层建筑常常将一部分的框架利用较大的剪力墙进行替换，从而解决框架体系强度和刚度不足的问题，这样就形成了框架—剪力墙体系。框架和剪力墙在水平力的作用下和刚度足够的楼板以及连梁协同工作，从而形成一个体系。在体系中，垂直方向上的载荷主要由框架体系承受，而水平方向上的剪力主要由剪力墙来承受。剪力墙的存在使住宅结构的侧向刚度在很大程度上加大，同时极大的减小了建筑的水平位移。与此同时，建筑所受到的水平剪力的影响将在很大程度上降低，并且内力沿着竖向的分布慢慢的趋向于均匀。
3.筒形结构体系
凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、筒体—框架、筒中筒、多束筒等多种型式。作为空间受力构件的筒体有两种不同的类型：实腹筒和空腹筒。实腹筒作为一个三维竖向结构单体是由平面或曲面墙围成。而空腹筒作为一个空间受力构件则是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的。筒体体系的各个部件的受力情况相对比较合理，因而刚度和强度比较强，有着很强的抗风能力和抗震能力，因此在高层建筑中的使用比较普遍。
4.其他结构体系。随着建筑技术以及相关材料科学的飞速发展，高层建筑设计处于一个动态的变化过程之中，其结构体系设计势必也会随之不断的更新发展，新的结构体系代替就的结构体系是不可避免的。从目前看，现在很多新型的结构体系都还处于探索的过程之中，如筒中筒结构的发展、或者束状筒的组合，外筒桁架交错，以中心并筒悬挂式结构以及很高的桁架梁的体系等。这些结构体系由于尚不够成熟，因此要用于实践之中还需要一段时间的成长。
三.高层建筑结构设计中应注意的问题
1.高度
《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定了多种常见结构体系的最大适用高度。随着建筑物高度的逐渐增加，许多影响因素也将随之改变，因此有些参数本身超出了现有规范的适宜范围。因此，应当采取科学谨慎的态度，来设计超高限建筑物
2.材料的选用
在地震多发区，工程技术人员最为重视的问题就是采用何种结构体系或建筑材料较为合理。在结构柱距或体系变化时。需要设置转换层及加强层，要尽量降低其本身刚度，慎重选择其结构模式，以减少不利影响。在高层建筑中，建议尽可能采用钢管混凝土结构或钢结构以及钢骨混凝土结构，以减小柱断面尺寸，并改善结构的抗震性能。
四．高层住宅建筑结构关键设计
1.基础系梁的设置问题
如果基础埋置深度较深时，在±0.00以下设置系梁，可以用基础系梁减少底层柱的计算长度，此时，系梁以下的柱应按短柱处理，同时，系梁宜按一层框架梁进行设计。如设置基础拉梁，宜设置在框架柱之间，对于不在框架柱之间的墙体基础可采用素混凝土基础；如不设置基础系梁，填充墙可以采用素混凝土条形基础。
2.框架结构薄弱层的处理与判定
对抗震极为不利的结构层是薄弱层，原则上应避免薄弱层的出现。加大该层的抗侧移刚度是避免出现薄弱层的基本方法，即加大该层的柱截面或梁截面；如果条件允许，可以减少基础埋置深度或改变该层层高。当无法避免出现薄弱层时，在结构出图和计算时必须按照规范规定采取相应的措施。
3.短柱问题
在框架结构中，如果柱净高与剪跨比≤2，柱截面高度之比≤4，那么该柱为短柱。短柱在地震作用下，脆性破坏是很容易发生的。增加柱的抗剪承载力以及改善其变形能力主要是处理短柱后的效果，一般采用复合箍筋，箍筋沿全高加密；保证短柱的纵向钢筋对称布置，且每侧的纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%的方式处理，也可以采用配X形钢筋、外包钢板等方式处理。
结语
随着不断加快的城市化进程，越来越紧张的城市建设用地，城市住宅建筑大多朝向超高层和高层发展，以提高用地效率，这也更高的要求建筑的结构设计水平。因而我们广大建筑设计人员应熟悉相关标准条文以及建筑设计规范，熟练掌握高层建筑结构设计的相关要点，合理选择建筑结构体系，做好结构设计的优化，提高建筑的结构安全性，降低设计成本，为社会创造出更多的高层建筑精品。
参考文献：
[1] 胡文湛.浅谈高层建筑结构分析与设计[J].江西建材，2006（1）.
[2] 康军.深度探讨高层建筑结构体系选型需考虑的相关要素[J].科技创
新导报，2009（20）.
关键词：小高层住宅；结构形式；结构方案
中图分类号：TB482.2文献标识码：A
1小高层住宅的优越性
随着住宅层数的增加,容积率的提高,同等规模的居住区的用地面积也会相应减少。小高层住宅能有效地节约用地。住宅设计应以人为本。电梯的使用,体现了对人的关怀。小高层住宅电梯的使用,不仅解决了垂直交通问题,方便居民(尤其是老龄居民)的出入,而且大大提高了房屋的居住品质。小高层住宅由于采用框架和剪力墙结构体系,整体性、抗震性都大大优于多层砖混结构。小高层住宅的经济性体现在电梯的优化设计和土建费用较低方面。总之,小高层的整体投入低于高层,其中7层～9层的小高层住宅的投入只略高于多层住宅,但由于节约了土地,也就减少了资源浪费、节省了大笔的费用。
2小高层住宅的基本结构形式
2.1框架结构
框架结构一般适用干多层结构和小高层结构，适用高度范围在60.0m以下(6度设防)框架结构具有布置灵活，可以有较大的室内空间等特点。填充墙采用轻质隔墙可以减轻结构自重，但是框架柱内凸会影响户型的实际使用面积，并影响家具的布置，有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。《高规》在第4.8.2条中规定，对高度大干30.0m的框架结构建筑，在抗震为6度设防的地区，抗震等级为三级，sATwE程序计算结果为：在水平荷载(风荷载及地震荷载)作用下，水平位移与层间位移比为最大(1／1200)；由于框架柱作为唯一的抗水平力构件，轴压比限值为0.90，故框架柱截面尺寸较大。并且由于建筑的造形或使用的要求，会形成框架的一端位于柱上、另一端位于梁上的现象，或几根框架柱不在同一条轴线上，形成单跨框架现象，从而成为抗震的薄弱环节。在需要考虑到抗震设防要求的结构设计中，由于框架粱柱截面比较小，剐度比较低，抗震性能又差，如果采用砌体填充墙，在地震中会损坏严重并且修复费用高，所以对高层结构不宜采用。
2.2异型柱框架结构
这种结构形式派生于框架结构形式，具有框架结构的特点，此外，它与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。据《混凝土异型柱结构技术规程~JGJ1492006第3.1.2条规定：抗震设防为6度时，异型柱结构适用于高度为24m以下的房屋。由于异型柱在受力性能方面(比如受剪承载力、节点承载力以及延性等)比普通矩形柱差，它无法满足比较高的建筑物在抗侧力以及轴力等方面的要求。所以，相对来说异型柱框架结构在抗震性能方面是最差的一种结构形式。但由于能够解决住宅室内无柱角的问题，在多层中还是有比较好的应用市场。
2.3普通剪力墙结构
普通剪力墙结构一般用于高层住宅的结构设计，尤其是在30层左右的高层结构中广泛应用。这种结构形式的特点是根据建筑平面布局来设置钢筋砼墙，使用剪力墙以解决建筑平面的使用问题。它的优点是整体刚度大，抗震性能好，水平位移小，居住舒适。剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，否则对结构受力及抗震均不利。若刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，造成不必要的材料浪费；但如果刚度太小，结构变形太大，则会影响建筑物的使用。对于小高层住宅来说，剪力墙是面广量大的，因此合理的控制剪力墙配筋对于结构安全及工程的经济性具有十分重要的作用。
2.4框架剪力墙结构
在近几年的高层结构设计中，框架剪力墙结构形式应用比较广泛。这种结构形式既具备框架结构布置灵活的优点，又具备较好的抗震性能，缺点是其框架柱的内凸也会影响到户型的使用面积及家具的布置。在这种结构形式中，由于框架柱主要承受竖向荷载，轴压比限值较框架结构有所放宽，但是考虑到框架柱的构造要求，若在实际计算中轴压比大于0．90，柱配筋则可能比较大，所以与框架结构一样存在上述的建筑使用问题。
2.5异型柱框架剪力墙结构
这种结构形式派生于框架剪力墙结构形式，与墙同宽的异型柱解决了建筑平面使用问题。在抗震方面，异型柱主要承受竖向荷载，水平位移及层间位移大大减小，但是异形柱的肢长较短，所以当建筑物较高时，异形柱无法满足轴力和抗侧力的要求。以抗震为6度设防的地区为例，建筑物高于18.0m抗震等级即为三级，框架剪力墙结构的总高度要小于45.0米，柱中距要小于7.20米，这点比框架结构的60.0米上限的要求严格。
2.6短肢剪力墙结构
这种结构形式的特点是根据建筑物平面布置的要求而在其凹凸转角处布置各种形式的短墙肢，主要有“一型、Y型、+型、T型、Z型、Y型”等各种形式。在使用这种结构形式时，结构布置极其灵活，可以将管道井、电梯间和楼梯间等部位四个侧面的剪力墙均布置短肢剪力墙，也可以根据需要布置一些长肢墙，所以基本上能满足建筑物的使用布置和竖向受力要求。不过由于短肢剪力墙在抗震性能方面较弱，而且在地震区应用的经验也不多，所以为了安全起见，在抗震方面，对这种结构设计的使用范围、抗震等级、最大适用高度、墙肢厚度、轴压比、截面剪力设计值、纵向钢筋配筋率等方面都有较严格的规定限制。目前的短肢剪力墙体系小高层建筑由于考虑埋置深度的要求，一般均设置地下室，基础则采用桩筏基础，对桩基础进行合理选型，将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。
3小高层结构设计的总体指标控制
3.1总体信息的设置与控制。
电算判断结构抗震是否可行的主要依据是在风荷载和地震作用下水平位移的限值；地震作用下，结构的振型曲线，自振周期以及风荷载和地震作用下建筑物底部剪力和总弯矩是否在合理范围中。总体信息的设置对这几组电算限值的影响是十分明显的。因此，合理设置总体信息的数值，才能正确地判别结构体系及构件截面尺寸是否可行。譬如说建筑物刚度太大，周期太短，导致地震效应增大，就会造成不必要的材料浪费；但刚度太小，结构变形太大，又会影响建筑物的使用。这里以小高层住宅常用的剪力墙结构设计为例，有以下几组数值值得注意：
（1）抗震设计时，宜考虑平扭耦联计算结构的扭转效应，振型数不应小于 15，对多塔楼结构的振型数不应小于塔楼数的 9倍，且计算振型数应使振型参与质量不小于总质量的 90%。
（2）计算各振型地震影响系数所采用的结构自振周期应考虑非承重墙体的刚度影响予以折减，当非承重墙体为填充砖墙时，剪力墙结构可取 0.9 ～ 1.0，框架剪力墙结构可取 0.7 ～ 0.8。
（3）在内力与位移计算中，抗震设计的框架剪力墙结构和剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，节减系数不宜小于 0.5。
（4）楼层层间最大位移与层高之比的限值 u/h 不宜小于1/1000 且第一自振周期为平动周期，周期大小约为层数的 0.06～ 0.08 倍之间。
3.2 高层结构的平面及竖向布置。
在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单，规则，刚度和承载力分布均匀。不应采用严重不规则的平面布置。竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。
（1） 结构平面布置应减小扭转的影响，在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移是A 级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1.2 倍，不应大于该楼层平均值的 1.5 倍。
（2） 当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。楼面凹入或开洞尺寸不宜大于楼面宽度的一半；楼板开洞总面积不宜超过楼面面积的 30%；在扣除凹入或开洞后，楼板在任一方向的最小净宽度不宜小于 5m，且开洞后每一边的楼板净宽度不应小于 2m。
（3）高层建筑结构伸缩缝的最大间距现浇框架结构为 55m，现浇剪力墙结构为 45m。
（4）抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的 80%。
3.3 高层建筑的基础设计。
高层建筑的基础设计，应综合考虑建筑场地的地质状况、上部结构的类型、施工条件、使用要求，确保建筑物不致发生过量的沉降或倾斜，满足建筑物正常使用要求。还应注意与相邻建筑物的影响，避免因基坑降水而影响邻近建筑物、构筑物、地下设施等的正常使用与安全。常用的高层建筑基础类型有筏形基础，箱形基础，桩基础等。笔者所在地区的浅层土体承载力较低，持力层埋深一般大于 25m，较多选用预应力钢筋混凝土预制桩基础。桩基承台可选用：柱下单独承台、双向交叉梁、筏板承台、箱型承台。目前的剪力墙体系小高层由于考虑埋置深度的要求，一般均设置地下室。基础则采用桩筏基础。如何对桩进行合理选型，将对整个地下室设计的经济性产生重要影响。
3.4 剪力墙结构的设计。
抗震设计的剪力墙结构中，剪力墙应沿主轴或其他方向双向布置，避免单向有墙的结构布置形式。剪力墙布置必须均匀合理，自下到上连续布置，避免刚度突变，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且X，Y两向刚重比接近。
（1）在结构布置上应避免一字形剪力墙和短肢剪力墙，若出现则尽量布置成长墙（h/w>8）。短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为 5 ～ 8 的剪力墙，一般的剪力墙是指墙肢截面高厚比大于 8 的剪力墙。短肢墙的厚度不应小于 200mm，7、8 度抗震设计时，宜设置翼缘。
（2）剪力墙墙体配筋一般要求水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。配筋满足计算及规范建议的最小配筋率即可，即一、二、三级抗震设计时均不应小于0.25%，四级抗震设计和非抗震设计时不应小于 0.20%，双排钢筋之间采用φ6@600 600 拉筋。
（3） 一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应按《高层建筑混凝土结构技术规程》第 7.2.16 条设置约束边缘构件；其余剪力墙应按第 7.2.17 条设置构造边缘构件即可。由于规范中已有十分详细的规定，这里不再重复了。
关键词：高层住宅建筑结构设计
Abstract: this paper introduces the structure of the high-rise residential buildings design principle, analyzes the high-rise building structure optimization design status, emphatically summarized the high-rise residential building structure optimization design method.
Keywords: high-rise residential building design
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
当前，高层建筑随着城市的发展和科学技术的进步而发展起来的, 在土地资源日益趋紧的今天, 高层建筑有利于节约用地、解决住房紧张、减少市政基础设施和美化城市空间环境。为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展, 为业主提供优质的设计产品, 提高设计产品的经济性, 已成为每一个设计单位努力追求的目标。
一、高层住宅建筑结构设计的原则
1、 满足经济性要求。住宅作为商品, 开发商为有利可图, 要求投入少, 经济效益好,购房者则要求房屋设计布局好, 外观美, 房价适中, 质量上乘。因此, 结构设计应根据房屋的建造地点、平立面体形、层数多少, 在满足安全性、耐久性和舒适性要求的前提下采用经济合理的结构体系, 在构件设计中应精打细算, 严格执行规范构造要求, 注意避免不必要的浪费。尤其在地基基础设计中更应该注意方案的经济比较,因为地基基础设计方案合理与否对房屋造价至关重要。
2、 满足安全性和耐久性要求。住宅实行商品化后, 应成为广大住户的耐用消费品, 使用寿命长是区别于其他消费品的最大特点。因此, 结构安全性和耐久性是住宅结构设计的最基本的要求。在结构体系的选择, 材料的选用,都应该有利于抗风抗震, 以及在使用寿命期间维修改造的可能性。
3、满足舒适性要求。住宅建筑设计应该为住户起居的舒适性要求提供条件, 例如, 多种户型, 灵活分隔室内空间, 人居的热、光、声的环境等要求, 为此结构设计应较好地配合建筑和机电专业, 尽可能在居住空间中避免露柱露梁的压抑感和采用隔音较差的分隔墙材料, 使室内简洁明快, 隔声较好,给居住者创造一个幽静舒适的环境。结构方案中还应考虑住户日后改变分隔空间的可能性, 当采用剪力墙结构时, 宜采用大开间布置。
二、 高层建筑结构优化设计现状分析
1、只重视结构尺寸的优化,即在给定结构的几何形状、 拓扑和材料的情况下,求出满足约束条件的最优构件截面,而忽视结构整体的优化。已有的研究结果表明,形状优化比尺寸优化更有意义。 单纯的尺寸优化无法接近最优的结果,因此,也就不能完全令人信服。设计人员较普遍地认为,结构设计只要结构方案和布置合理, 上部结构又有比较成熟的计算机软件进行分析计算,构件截面只要通过计算结果满足规范即可, 认为上部结构相对下部结构,即地基基础部分,特别是软土地基的意义不大,因此对上部结构截面的优化所能达到的经济效益未予以充分的重视。
2、优化的目标还不能完全符合工程的需要。 由于实际结构问题往往十分复杂,存在设计变量多、 约束条件多、 受建筑功能限制较大等难点, 多种因素甚至不确定性因素使得目函数在建立后只能得到相对最优解。,目前尚没有实用的高层建筑优化分析软件, 而应用现有的各种计算机分析软件进行截面优化并不是简单的几次尝试就能达到效果的,因此,无论是机时,还是设计进度,都较难允许实施这种优化方法。 很多高层建筑设计项目,结构方案和布置还是比较合理的, 其构件截面也是同类型结构中常用的尺寸,但是计算分析后还存在某些薄弱环节,为了改善这种受力状况,增大构件截面却未能得到明显改善,反而增加了材料耗量。
三、高层住宅建筑结构优化设计方法
1、限制结构平面布置的不规则性避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定: 在考虑偶然偏心影响的地震作用下, 楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移, A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的 1、2倍, 不应大于该楼层平均值的 1、5倍。抗震设计的 A级高度钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载,受力明确, 传力直接, 力争均匀对称, 减少扭转影响。结构刚度不对称也会产生扭转。所以在布置剪力墙时, 应使结构均匀分布, 令荷载合力作用线通过结构刚度中心, 以减少扭转影响。结构刚度不对称产生扭转时, 通过增加墙厚来调整扭转效应效果不佳。高层剪力墙结构住宅中剪力墙影响刚度, 而剪力墙为矩形截面, 惯性矩为 I Z = bh3 /12 , b为墙厚,h为墙长。剪力墙的长度对其刚度影响很大。首先分析哪部分结构刚度大, 哪部分结构刚度小, 增大刚度对结构有利, 还是减小刚度对结构有利, 通过增减剪力墙达到结构刚度均匀对称, 满足高层建筑混凝土结构技术规程435条对最大水平位移和层间位移的要求。
2、限制结构的抗扭刚度不能太弱。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定: 结构扭转为主的第一自振周期 Tt与平动为主的第一自振周期 T1之比, A级高度高层建筑不应大于 0、9。扭转耦联振动的主方向, 可通过计算振型方向因子来判断, 在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中, 当转动方向因子大于0、5时, 则该振型可认为是扭转为主的振型。当不满足以上要求时, 宜调整抗侧力结构的布置, 增大结构的抗扭刚度。如在满足层间位移比的情况下, 减小某些 (中部 ) 竖向构件刚度, 增大平动周期, 加大端部竖向构件抗扭刚度, 减小扭转周期。
3、高层建筑的基础形式应选用整体性好, 能满足地基承载力和层建筑容许变形的要求, 并能调节不均匀沉降, 达到安全实用和经济合理的目的。以下讨论平板式筏基和梁板式筏基经济合理的问题。平板式筏基与梁板式筏基相比较具有节约钢材、混凝土, 施工工期短等优点。住宅一般开间小, 即剪力墙间距小, 并且剪力墙刚度大,所以剪力墙完全可以起到梁板式筏基中基础梁的作用。采用中国建筑科学研究院编制的 JCCAD软件, 用有限元法对不同基础形式进行基础计算, 发现平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多, 但梁板式筏基却有基础梁的配筋、混凝土用量和基础梁支模等情况。当采用梁板式筏基时有的基础梁的刚度达不到它所应起到的刚度作用, 计算时超筋。于是还要再增大梁的断面。从综合经济效益分析, 对于采用剪力墙结构形式的高层住宅平板式筏基比梁板式筏基更经济合理。
4、高层建筑平面凹入较深时构造处理。高层建筑平面不规则, 容易发生震害, 在不妨碍建筑使用的原则下可以采取以下措施: 设置拉 梁或拉板 (板厚为 250mm ~300mm ) , 拉梁拉板内配置受拉钢筋。满足梁板最小配筋率要求。
5、高层住宅转角窗处的构造处理。角部墙体开洞, 与角部墙体不开洞的剪力墙结构相比, 结构整体效应影响颇大, 结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异, 角部墙体开洞的剪力墙结构其外墙内力明显增大。开洞的角部各构件扭转效应明显, 特别是洞口处的连梁, 需配置抗扭钢筋, 转角处楼板宜局部加厚, 配筋宜适当加大, 在转角处板内设置连接两侧墙体的暗梁。
6、不规则楼板的计算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要, 常出现不规则楼板, 以往处理方法在缺口设梁,这样影响建筑的美感。现在设计中改设暗梁, 梁适当加宽。楼板的承载力潜力较大, 计算时可按一般梁计算。通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程
总之，结构设计没有绝对最佳的标准模式, 只有通过不断地探索、比较,去寻求相对的最优。因此我们每一个结构工程师应不断地追求尽善尽美的设计思想, 不只盲目照搬规范和依赖计算机程序作设计, 用自己的结构设计概念、经验、判断力和创造力为业主和社会设计出更好的建筑。
参考文献：
[1] 刘利峰. 钢筋混凝土建筑结构设计优化研究[J]. 科技资讯, 2010,(20) .
[2] 陈颖. 高层建筑结构优化设计分析[J]. 工程建设与设计, 2010,(08) .
[3] 张启照. 建筑结构优化设计探讨[J]. 福建建材, 2010,(02) .
关键词:超高层剪力墙结构；性能化设计；弹塑性分析；专项分析
1工程概况
本项目位于南京市鼓楼区，地块总建筑面积约16万m2。地上由5栋超高层住宅、1栋办公楼和4栋6层商业楼组成，项目效果图如图1所示。本文主要论述2#超高层住宅楼（以下称“本工程”）的抗震设计可行性分析过程。本工程建筑面积约3.6万m2，地上49层，地下2层。结构整体高度147.3m，标准层高3m，17层和33层分别设置两个避难层，层高3.15m，采用剪力墙结构体系，本工程的结构模型如图2所示。本工程的主要设计参数见表1。
2基础设计
根据勘察报告揭露的地层情况，同时针对本工程层数高、竖向荷载大的特点，经过试算后采用钻孔嵌岩灌注桩，桩径800mm，以5-2L层中等风化砾岩为桩端持力层，入岩深度为2.0m，单桩竖向抗压承载力特征值为6400kN。本工程采用厚筏基础，筏板厚度2.2m，埋深约11.20m，11.20/147.60=1/13.2>1/18，满足规范要求。
3结构体系
本工程为超高层住宅，结构高度147.3m，结合建筑特点和同类项目设计经验[1-3]，选用剪力墙结构体系。结构布置如图2所示。3.1竖向构件经过反复试算，墙体布置和厚度分布见图3，剪力墙混凝土等级分布为：1~12层为C60，13~24层为C50，22层以上为C40。3.2楼面结构梁宽为200mm或同墙厚，标准层户型内梁高以400mm、450mm为主，X向边梁500mm，Y向边梁为600mm；楼板为120~130mm现浇板；梁、板混凝土等级均为C30。
4超限情况及性能目标
根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2015]67号）[4]，本工程超限情况主要有两项：①高度超限，结构高度147.3m，高度超过7度区剪力墙的A级最大适用高度23%，同时小于B级最大使用高度，属于高度超限；②楼板不连续，2层入户大堂以及避难层的生活转输水箱均为挑空布置，导致相应楼层挑空位置楼板有效宽度小于50%。遵循“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则，本工程的抗震性能目标设为C级[5]。具体结构构件的性能目标如表2所示。
5结构小震弹性分析
5.1小震弹性反应谱分析
采用YJK和MIDAS两个程序对结构进行了小震弹性计算，计算结果汇总如表3所示。根据上述计算结果，可知两个计算程序计算结果相近，说明模型及计算结果合理有效，可以作为工程设计的依据。
5.2小震弹性时程分析
弹性时程补充分析所用地震波《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）（以下简称《高规》）[5]4.3.5节给出了明确的要求。具体应用到实际工程时，文献[6]中也给出了详细的选波操作步骤。图4给出了结构在各组地震波作用下的楼层剪力分布情况，由图4可以得出，各组地震波作用的结构基底剪力和反应谱计算的基底剪力均相差在35%以内，7组时程剪力的平均值和反应谱基底剪力相差在20%以内。同时各楼层的时程剪力平均值均小于CQC计算的楼层剪力，因此后续施工图设计中按照规范反应谱得出的地震力进行计算即可。
6抗震性能化验算
采用YJK程序对本工程进行抗震性能化验算。根据设定的性能目标，主要对底部加强区剪力墙进行如下几个方面的验算：①底部加强区剪力墙中震抗弯不屈服验算。设计时底部加强区边缘构件纵筋采用小震弹性和中震不屈服的包络值。②底部加强区中震抗剪弹性验算。设计时底部加强区墙体水平分布钢筋采用小震弹性和中震弹性的包络值。③底部加强区剪力墙大震作用下的截面限值条件验算。计算结果显示各截面的剪压比均满足规范要求。
7动力弹塑性验算
本工程采用SAUSAGE程序进行罕遇地震作用下的动力弹塑性验算。主要结论为：①结构在罕遇地震作用下X、Y向的层间最大位移角分别为1/192、1/191，小于规范限值1/120；②结构顶点弹塑性和弹性位移曲线形状相似，但随着时间推移，位移曲线逐渐出现明显的相位差；③楼层剪力曲线无突变，弹塑性基底剪力为小震弹性基底剪力的3.1~4.6倍，符合工程的一般规律；④构件的整体损伤程度为连梁＞梁＞剪力墙，70%左右的剪力墙无损伤。以上分析结果均表明结构在罕遇地震作用下能够保持“大震不倒”的设防要求。
8专项分析
8.1楼层开大洞解决措施
由于建筑底部有挑空入户大堂、避难层存在挑空的生活转输水箱间，引起平面中轴处楼板大开洞，相应位置出现严重的弱连接，详见图5。针对楼板大开洞引起的弱连接，首先，控制小震作用下此楼层板内主拉应力不大于混凝土抗拉强度设计值，中震作用下板内主拉应力全部由钢筋承担；其次，对楼板大开洞楼层，去掉弱连接，对结构进行整体分塔分析，按分塔和不分塔模型包络设计。
8.2针对高宽比超限的设计措施
本工程高宽比8.4，大于《高规》[5]第3.3.2条的限值6。针对高宽比大于限值，设计中主要控制如下几个方面：①验算结构刚重比，满足整体稳定性要求，同时考虑“P-Δ”效应；②中震不屈服时，截面拉应力超过混凝土抗拉强度标准值的墙肢内设置型钢，所有拉力全部由型钢承受；③风荷载作用、小震与风荷载组合作用、中震作用时，基础底面与地基之间不出现零应力区，桩基满足承载力设计要求，不出现上拔力；④大震作用下，对结构进行动力弹塑性分析，从严控制罕遇地震下的整体结构的塑性变形。
9结语
本工程为B级高度剪力墙住宅结构，小震作用下两个程序计算结果相近且均满足规范要求；中、大震等效弹性反应谱法计算结果表明底部加强区剪力墙能够满足预设的性能目标要求；动力弹塑性分析结果表明结构能够满足“大震不倒”的设防要求；同时对结构重点部位进行了专项分析，采取合理的计算、设计和构造措施。因此，本工程结构方案抗震设计是安全且可行的。本工程已于2019年3月通过超限审查。
参考文献
[1]杨建平，沈伟，魏大平，等．南京世茂滨江超高层住宅结构抗震设计[J]．建筑结构，2018，48（19）：27-30．
[2]刘金龙，宋九祥，沈伟．某超高层住宅结构关键问题分析[J]．山西建筑，2021，47（03）：32-35．
[3]曹源，李智明．武汉某超限高层住宅结构抗震分析设计[J]．建筑结构，2020，50（S2）：234-238．
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部．超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点：建质[2015]67号[S]．2015．
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部．高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3—2010[S]．北京：中国建筑工业出版社，2011．
【关键词】:高层住宅剪力墙结构设计
中途分类号：TU241.8 文献标识码：A文章编号：
1.墙肢长度和厚度的选取
1．1墙肢的长度
剪力墙墙肢长度(即墙肢截面高度)一般不宜大于8m。结构设计中的剪力墙结构应具有延性，细高的剪力墙(高宽比大于2)容易设计成弯曲破坏的延性剪力墙，从而可避免脆性的剪切破坏。当墙的长度很长时，为了满足每个墙段高宽比大于2的要求，可通过开设洞口将长墙分成长度较小、较均匀的联肢墙，洞口连梁宜采用约束弯矩较小的弱连梁(其跨高比宜大于6)，使其可近似认为分成了独立墙段。
1．2墙肢厚度的选取
规定剪力墙的最小厚度，其主要目的是保证剪力墙出平面的刚度和稳定性能。其厚度要求见表1。
表1墙肢厚度参考表
注:H－层高或剪力墙无支长度的较小值
对短肢剪力墙结构，规定其抗震等级应比表1中规定的抗震等级要高一级采用。故除6度区外，短肢剪力墙的抗震等级至少为一级。对于住宅建筑，填充墙厚一般为200mm，相应剪力墙厚也取为200mm。住宅层高一般为2.8～3.0m，故墙厚取200mm，除底层加强区的一字形短肢剪力墙外，均能满足规范要求。
对于无地下室的高层住宅，因其基础埋深一般在2.5m以上，则底层墙体高度会在5.0m以上，若按层高的1/16确定墙厚，将超过300mm，大于填充墙厚度。为避免出现此种情况，在布置剪力墙时，应结合建筑平面，尽量不用一字形剪力墙，而采用L、T、Z、十字形等截而形式，且使翼缘长度大于其厚度的3倍，这样一方面墙体抗震性能更好，另一方面墙厚也可取为剪力墙无支长度的1/16。由于住宅建筑中剪力墙肢长一般小于3.0m，故厚度采用200mm满足构造要求。
2.对结构扭转影响的处理
《高规》4.3.5条规定:“结构平面布置应减少扭转的影响。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍;B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。结构扭转为主的第一自振周期T1与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及本规程第10章所指的复杂高层建筑不应大于0.85。”对于位移比超限的处理方法。可采取的方法有:调整最大位移发生处的附近洞口位置及尺寸，或最大位移发生处的墙肢厚度，以增加该处的刚度，减小位移。对于周期比的超限，可采取的方法有调整质心两侧剪力墙的位置及墙肢长度，使其质心与刚心尽量接近;尽量加大周边剪力墙，提高抗扭刚度，减少核心筒刚度，削弱结构侧移刚度，从而加大第一平动周期;其轴线通过或靠近结构刚心的剪力墙对结构抗扭刚度贡献不大，但对侧移刚度贡献较大，也必须削弱。
3.对角窗的处理
高层建筑的角部在地震中是最薄弱的部位，但有些时候建筑为了立面效果或为了开发商房子好销售，在高层建筑的角部设置角窗，对此类情况应采取以下措施:提高角窗两侧墙肢的抗震等级，并按提高后的抗震等级满足轴压比限值的要求，如不满足宜加厚墙肢;角窗两侧的墙肢应沿全高均按《高规》5.5.4条要求设置约束边缘构件;抗震计算时应考虑扭转藕连影响;转角窗房间的楼板宜适当加厚，宜采用双层双向配筋;加强角窗窗台的连梁的配筋与构造。
4.对剪压比超限的连梁处理
剪压比超限问题在剪力墙中是很常见的，尤其是在高烈度区，经常是计算完后多处洞口上连梁超限。处理方法是一般先减连梁高度，以减少连梁吸收的地震力，如果仍然超筋，说明该连梁两侧的墙肢过强或者是吸收的地震力太大。此时，想通过调整使计算结果不超筋是困难的，也是没有必要的。就好比说，它原来没有这个能力，你非要让它有这个能力，这当然很困难。从连梁的作用来说，首先它是在两个墙肢之间传递内力，对墙肢起到约束作用，其次它是在地震来临时充当第一道防线，起到耗能作用。因此，对于减少连梁的高度仍然超筋连梁(指抗剪超筋)的设计原则应该是这样的:
首先按该连梁截面能承受的最大剪力(高规JGJ3－20027.2.23)计算连梁抗剪箍筋;根据该剪力值计算出连梁端部弯矩(为简化起见，假设反弯点在中点)，并作适当折扣(例如:一级乘以0.8)，然后根据该弯矩值计算连梁纵筋。这样做的目的是为了保证连梁的强剪弱弯，故意让连梁先出现塑性铰。当多遇地震来临时，连梁端部弯矩很快达到极限抗弯承载力，出现塑性铰，端部弯矩不再增加。由于弯矩与剪力之间的导数关系，连梁中的剪力也不再增加。而我们在设计的时候，已经保证了在端部弯矩达到极限抗弯承载力的情况，，抗剪能力是有富余的，所以此时抗剪不会破坏。在这种情况下，连梁仍能保证对竖向荷载的承载能力，同时对墙肢有一定的约束能力，并具有变形耗能能力，破坏具有一定延性，基本上满足设计对连梁的基本要求。唯一与计算不符的是，连梁对墙肢的约束作用比计算的要小，其结果是墙肢的内力比计算值要大，可以在电算时对此类墙肢的地震力放大系数进行调整，按调整后的电算结果适当加强相邻墙肢的配筋。
5.约束边缘构件箍筋的设置
约束边缘构件分为“阴影部分”和“非阴影部分”，对于“阴影部分”规范中对竖向钢筋和箍筋或拉筋的配置都有较明确的要求，设计中易于理解和执行。但对于“非阴影部分”仅规定其箍筋配箍特征值为“阴影部分”配箍特征值的一半，但箍筋或拉筋沿竖向的间距及竖向钢筋应如何配置并未做出具体规定，因此，目前在工程设计中做法比较混乱。而竖向钢筋可在箍筋交叉点处按剪力墙竖向分布筋直径设置。同时，还有一点应注意，为了充分发挥约束边缘构件的作用，在剪力墙边缘构件范围内，箍筋的长短边之比不宜大于3，相邻两个箍筋之间宜相互搭接1/3箍筋长边的长度。
【参考文献】：
【1】李国胜.多高层钢筋混凝结构设计中疑难问题的处理及算例【M】．中国建筑工业出版社2004年6期．
【2】李盛勇；张元坤．剪力墙边缘构件的一种科学配筋形式【J】．建筑结构2003年8期．
【关键字】高层；钢结构；发展；设计；原则；安装钢结构；新材料
引言
高层钢结构建筑在国外已有110多年的历史，1883年最早一幢钢结构高层建筑在美国芝加哥拔地而起，到了二次世界大战后由于地价的上涨和人口的迅速增长，以及对高层及超高层建筑的结构体系的研究日趋完善、计算技术的发展和施工技术水平的不断提高，使高层和超高层建筑迅猛发展。钢筋混凝土结构在超高层建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面积比率越来越大，在超高层建筑中采用钢筋混凝土结构受到质疑；同时高强度钢材应运而生，在超高层建筑中采用部分钢结构或全钢结构的理论研究与设计建造可说是同步前进。
1 钢结构稳定设计的原则
稳定性是钢结构的一个突出问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题。对于这个问题处理不好，将会造成不应有的损失。
根据稳定问题在实际设计中的特点提出了以下三项原则并具体阐明了这些原则，以更好地保证钢结构稳定设计中构件不会丧失稳定。
1.1 结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。
目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成出平面失稳。
1.2 结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。
目前任设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。
1.3 设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。
结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋与它足够的刚度和柔度，对桁架节点应尽量减少杆件偏心这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。
2 钢结构住宅的设计流程
2.1 判断结构是否适合用钢结构
钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。
2.2 结构选型与结构布置
在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要，对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。
2.3 预估截面
结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。
钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。
柱截面按长细比预估。通常50
2.4 结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-Δ，p-δ。
新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。
2.5 构件设计
构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理，经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。
2.6 节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。
2.7 图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间
不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。
3 钢结构住宅设计中应注意的问题：
3.1 钢结构，有低层和多层之分。低层一般不超过3层，用于别墅；多层用于公寓。本文介绍多层公寓住宅钢结构设计中一些问题。
3.2 超过9层为高层。10～12层又称小高层。抗震规范GB50011对12层以下和12层以上的房屋提出不同要求。住宅钢结构一般不宜超过12层。
3.3 结构抗震性能与结构布置规则性有很大关系。结构布置不规则，地震时易损坏，而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。
【关键词】高层住宅；剪力墙结构；优化设计
随着城市化进程的加快，高层建筑越来越多，在当下经济环境下，要实现建筑效能的最大化发挥，在其结构设计中，必须打破常规，采用空间布置法，实行结构转换层，而出于经济因素分析，剪力墙结构则是进行高层住宅设计的首选。
一、剪力墙结构设计分析
1、剪力墙结构设计应用于高层住宅的优势分析
在现代建筑设计中，必须考虑到建筑质量、建筑安全、建筑经济效益等，剪力墙结构作为经济性价比最高的设计方式，被广泛应用到高层住宅建筑设计中，而从其结构设计分析来看，其具有一定的优势：抗震性、减压力是衡量高层建筑质量的关键性标准，而结构布置对建筑抗震性产生重要影响。在高层住宅中，分隔墙较多、开间较小，这就要求具有轻质的材料应用，而剪力墙结构是一个局部概念，可有效降低承载墙的数量，这就减少了建筑压力，同时减少了建筑用材，具有经济性。从剪力墙外观设计来看，其设计整齐、没有露梁和漏柱，这就保证了建筑施工的美观性，也便于室内装修。由此看来，建筑设计处于实现其经济原则、安全因素、美观原则的需要，采用剪力墙结构进行设计具有优势性。
2、剪力墙结构设计的注意点
剪力墙结构设计中，要合理控制剪力墙结构的刚度、数量、转接层控制、设计计算等方面，以实现结构设计的合理性以及安全性。其一，剪力墙结构墙体越多，其带来的建筑压力就越大，造成地震的反应度就越大，易造成安全危及；剪力墙结构的刚度越大，地震影响力就越大，若配筋率低，则延性差，这就要求在进行设计中进行刚度、延展性以及抗压性设计。其二，在转换层控制中，要在建筑荷载能力的控制下进行，要依据强转换弱上部的原则进行设计，并可根据强柱弱梁的方式，进行框支架设计，以便于提升建筑的抗震能力。其三，在结构设计计算中，要在细算后预留一定的富裕量，按照相应的剪力墙系数标准进行设计；在进行剪力墙空间布置上，进行双向布置，来实现其空间结构的美观性，同时由于剪力墙自身的负重能力较高，在进行经济性计算分析中，要适度减少材料的投资，如剪力墙有钢量约占到50-65%，边缘构件约占30-50%，因此，其剪力墙的数量过多，则会引起严重经济浪费，所以，在进行经济含钢量计算时，一定要准确，以实现剪力墙设计的经济效益和环保效益。
二、高层住宅剪力墙结构的优化设计
实现高层住宅的抗震能力、安全性是剪力墙结构设计的根本出发点，在设计中，剪力墙结构的含钢量、材质、各部位的转接与承和，支持建筑的梁、柱等都是保证建筑安全的因素。
从整体上看，刚度控制与材料选择是进行建筑安全性控制的关键点。其一，增强墙量与刚度。一般来说，高层住宅占用空间较大，其本身具有自身负载较大，在设计中，考虑到整体建筑结构，一般会采用框支剪力墙结构，其要求框架侧移曲线成剪切型，剪力墙的侧移曲线弯曲，这就要求在设计过程中，要进行两者力度的协调，在建筑周边均匀布置剪力墙，若平面形状变化较大，则在凸起部分进行剪力墙结构设计，如进行T型、L型的剪力墙结构设计，以实现建筑刚性的增加。其二，科学选用抗震材料。依据建筑地层和建筑层次进行材料选用，如在建筑层升高的情况下，混凝土强度等级为C45-C30，剪力墙的厚度为450mm-300mm，在现阶段我国一般采用型钢混凝土，这就有效控制了转换断层面，而其强度高于单纯的混凝土，这就提升了构件的受压力和承载力，有效实现了建筑抗震能力的提升。
具体来看，在高层住宅剪力墙结构设计中，要准确把握住影响建筑安全性的各个因素，合理计算建筑设计经济性，按照标准进行建筑设计。
1、转换层设计
随着建筑功能的变化，建筑上下结构的使用功能也发生变化，在实现建筑结构变化中，要注意建筑转换层结构的设计。当前常用的转换层有厚板转换层、巨型梁转换等，而无论采用何种转换层设计方式，都要通过强转换弱上部、强柱弱梁的设计来实现建筑的抗震性。具体来看，其一，进行转换层自身重量控制。采用梁系转换的方式来进行厚板厚度控制和转换层质量控制，一部分采用厚板材料，一部分采用薄板，这就相对减轻了转换层自重，这有利于实现建筑经济投入的降低。其二，进行刚度控制。高位转换时，转换层的刚度逐渐提升，这就要求调整转换层上下部分的刚性比，通过空间分析的方式，来确定水平作用力下的层间位移角，采用参与组合的振型数进行结构分析，如在设计时，采用部分封底的方式，来实现空间承载力控制，并将转换层上下楼板控制在200mm，而在一些箱型转换层中，则进行箱内挖空，提升挖空率的方式，来进行转换层质量和刚性控制。其三，进行转接控制。在转换梁与中筒连接设计中，要把钢筋混凝土柱连接在转接范围内的筒体处，加强连接，以防止地震时脱节现象的发生。
2、结构措施
在剪力墙结构中，建筑层次对其影响巨大，而上部剪力墙设计中的刚度、质量、抗震力等对下层产生重要影响，这就要求以有效的方式，进行上部剪力墙结构设计优化。
其一，减少混凝土使用量，减轻上层结构自重。在满足质量要求、楼板厚度和计算跨度比值、防火与设计管线要求的情况下，将上层楼板厚度进行控制为100mm，这既能够降低混凝土资源消耗，又能够减轻上部剪力墙的自重。在开间扩大剪力墙距离的标准下，以轻质隔墙代替一部分墙，采用梁柱代替楼板，在隔墙处进行梁柱设计，这既有利于提升可用空间，又能减轻质量，但在其设计中，由于建筑开间和建筑进深度较小，梁宽与隔墙具有相等厚度，再设计时，要避免露梁。
其二。抗震设计。进行纵向布置：转化层的上下等效侧向刚度比例一般在1.1-1.5之间，接近1.1，不得大于1.5，要强化下部，弱化上部，尽量防止薄弱层的出现，并通过计算分析，来确定可能存在的薄弱部位，通过分力分配特点研究，进行内力和构建配筋设计调整；尽量实现剪力墙落地，必要处采用L、T型结构设计；上部剪力墙厚度要降低，底层厚度要加大，如转换层以下剪力墙的厚度为250mm，上部为200mm，这对基层稳定，增强建筑抗震性具有重要作用。再就是，在进行T、L或十字型结构设计中，需要注意的是，对于小开口墙体配筋时，仅在洞口两侧配置构造边缘构件，而当腹板与冀缘不匹配时，则可适度放宽对冀缘边缘构件的要求，而在十字墙交叉部位也仅仅按照构件要求进行暗柱设计；剪力墙顶部要设置暗梁，且高度为400-500mm，并按照结构要求进行纵筋和箍筋配置，底部剪力墙设计时，尽量不要开洞，若必须开洞，则开小洞，并用轻质物质进行填充，以保持剪力墙的刚度。
总结
基于建筑功能的实现，剪力墙结构应用于高层住宅中，其表现出了一定的经济性、安全性优势，在其设计过程中，要把握住剪力墙结构的刚度、自重、抗震力等，通过科学计算和结构优化，来促使建筑质量的整体实现。
参考文献
[1]刘丽，黄翔.建筑结构设计策略研究[J].现代商贸工业，2011，（08）.
[2]张振山，鲁晟男.浅析高层建筑结构概念设计[J].才智，2011，（22）.
关键词:剪力墙 抗震构造 结构设计
1.前 言
近年来,随着我国城市化建设进程的加快,人们对住宅,特别是小高层及多层住宅平面与空间的要求越来越高,高层住宅建筑大量采用了剪力墙结构。它相对于框架结构更为简洁、宽敞,使用功能更好,为住户的自行改造增大了灵活性,加大了使用面积,并广泛受到建筑师和业主的欢迎。本文笔者根据颁布的《抗震规范》和《高规》,在工程实践中对该体系的结构布置要点及计算中需注意的一些问题进行了探讨。
2.结构布置及概念设计
应沿主轴方向或其他方向双向或多向布置剪力墙,尽量拉对齐通。
从经济和安全性方面考虑,剪力墙的间距不应当过于密集,侧向刚度不适合过大,应让两个方向抗侧刚度靠近;剪力墙的门窗洞口应上下对齐,成列布置,成明确的墙肢和连梁,避免出现错洞墙。
为减小扭转效应,平面分布上要力求均匀,刚度中心和建筑物质心尽量接近。高宽比大于2的剪力墙可以设计成弯曲破坏的延性剪力墙以避免脆性的剪切破坏;可将较长的剪力墙分成若干均匀的独立墙段,相邻独立墙段间用楼板或弱的连梁连接起来,因为它的受剪脆性往往容易被破坏;应用于住宅建筑的短肢剪力墙结构,既利于建筑布置,又可减轻结构自重。但由于其抗震性能较差,8度设防区房屋层数较多时,应慎重采用,可在短肢剪力墙结构中设置筒体或一般剪力墙,形成短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的结构。抗震设计时,筒体和一般剪力墙承受的第一振型底部倾覆力矩应大于结构底部地震倾覆力矩的50%。在水平地震作用下,高层短肢剪力墙结构主要表现为整体弯曲变形,底部的小墙肢承由于竖向荷载较大,破坏严重,特别是一字形小墙肢的破坏最为严重。可增加建筑物周边墙肢长度或连梁高度来消除扭转不规则,从而使结构的抗扭刚度明显增大。为了提高墙肢的承载力和延性,还需加强边缘构件配筋,增大这些部位墙肢纵筋和箍筋的配筋率,严格控制轴压比。
3.墙肢截面厚度
选取剪力墙墙肢截面厚度要满足承载力和满足稳定性的要求。
《高规》(JGJ 3-2002)第7.2.2条1-3款为了保证剪力墙出平面的刚度和稳定性,规定了剪力墙的最小厚度。在短肢剪力墙结构方面,《高规》(JGJ 3-2002)提出其抗震等级需比表4.8.2的规定提高一级采用,所以,短肢剪力墙的抗震等级除了6度区外至少为二级。住宅建筑的填充墙厚度通常为200mm,相应剪力墙厚定为200mm。住宅层高通常是2.8～3.0m,因此2层楼面以上墙厚取200mm。
4.约束边缘构件的设计
依据《抗震规范》(GB 50011-2001)及《高规》(JGJ 3-2002)的规定,一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件,阴影部分箍筋的体积配箍率ρv按下式计算(8度设防区,λv=0.2):
可按上表的计算结果对200～300mm厚剪力墙的约束边缘构件快速配箍,由于《抗震规范》(GB50011-2001)表6.4.8规定,一、二级剪力墙底部加强部位构造边缘构件箍筋沿竖向间距最大为100mm和150mm。所以不能简单地对于剪力墙约束边缘构件范围内非阴影部分的配箍的箍筋或拉筋间距取为阴影部分间距的2倍(200mm和300mm)。对于轴压比更大的剪力墙约束边缘构件,其箍筋或拉筋的设置标准需不小于相同抗震等级构造边缘构件的要求。
5.剪力墙水平分布筋在边缘构件中的锚固
边缘构件本身是剪力墙的一部分,不能套用一般的梁与柱连接的做法,因为它与剪力墙墙身之间的连接是相同构件之间的连接。剪力墙水平分布筋是按整片墙肢进行配置来抵抗水平地震作用产生的剪力的,用剪力墙边缘构件中的箍筋来改善混凝土的受压性能,约束混凝土,使剪力墙在地震作用下具有较好的耗能和延性能力。可以将水平分布筋伸至墙肢端部,并垂直弯折15d。
6.连梁的配筋
剪力墙的连梁是耗能构件,它的剪切破坏对抗震不利,会使结构的延性降低。设计时要注意对连梁进行“强剪弱弯”的验算,保证连梁的剪切破坏后于弯曲破坏。切忌人为加大连梁的纵筋,如此,可能无法满足“强剪弱弯”的要求。不能认为加大箍筋就能保证“强剪弱弯”。当连梁不满足截面控制条件时,盲目增加箍筋的结果会导致连梁发生剪切破坏先于箍筋充分发挥作用。连梁截面的抗剪计算,对于跨高比大于2.5的连梁,其剪力设计值应乘以增大系数ηvb:一级取1.3,二级取1.2,三级取1.1。剪力墙连梁的截面尚应满足以下要求:
跨高比大于2.5时:
V≤(0.2βcfcbbhbo)/rRE(2)
跨高比不大于2.5时:
V≤(0.15βcfcbbhbo)/rRE(3)
式中:V―梁端截面组合的剪力设计值;
βc――混凝土强度影响系数,按《高规》(JGJ 3-2002)第6.2.6条的规定采用。
7.计算结果的分析、判断
应采用至少两个不同力学模型的结构分析软件对不规则和复杂的建筑结构进行整体内力和位移分析,进行计算结果分析比较,确定其可靠、合理之后,才可在工程设计中运用。分析时可参考以下几点:非耦联计算地震作用时,剪力墙结构自振周期一般在(0.04～0.08)n范围内(其中n为结构计算总层数);振型曲线光滑连续,零点位置符合一般规律;耦联计算时,扭转为主的周期应不大于平动为主的周期的0.9或0.85倍。
结构布置较正常的剪力墙结构,底部总剪力值应大致在Vo=αG的范围内(其中α为合适范围系数,G为结构总重)。对于8度设防区的剪力墙结构,合适范围系数一般为:Ⅱ类土:α=(4～8)%;Ⅲ类土:α=(6～9)%。
对称结构在对称外力作用下,其对称点的内力与位移也应是对称的。竖向刚度、质量变化较均匀的结构,在较均匀外力作用下,其内力及位移等计算结果自上而下不应有大的突变。在剪力墙的结构设计过程中,既要遵循“强墙肢弱连梁、强剪弱弯、限制剪压比、限制轴压比”等原则将其设计成延性结构,还须遵循“设置底部加强部位、设置约束边缘构件、避免小剪跨比”等原则设计延性构件,将延性设计贯穿于工程设计的每一阶段,最终在满足建筑功能的前提下,使建筑物有合理的结构和良好的延性。
参考文献:
[1] 包世华,方鄂华.建筑结构设计(第一版)[M].清华大学出版社, 2001.
[2] 陈学欣.短肢剪力墙结构设计浅析[J].四川建材,2009(3).
