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摘要：在住宅、板式、小高层等几个限定条件下，分别分析了普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构、扁柱框架结构的优缺点，通过对三种结构方案的综合讨论，提出了合理的结构型式，为结构工程师提出了设计建议，以供工程设计参考。
关键词：小高层；住宅；结构方案；短肢剪力墙；扁柱框架
中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：
1 设计条件
某12层住宅楼，地质条件良好。建筑方案为板式小高层，共三个单元，每梯两户，户型简洁，设置一部电梯。要求结构设计人员定性分析几种可以采用的结构形式，从中确定最优结构，并给出设计建议。建筑平面方案如图1所示：
图1建筑平面方案（截取一个单元）
2 结构方案对比
根据给定条件，确定本工程可以采用的结构形式有普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构、扁柱框架结构三种形式，分别分析如下：
2.1 普通剪力墙结构
普通剪力墙结构在现代建筑中得到了广泛的应用，并逐渐形成了完善的计算理论和丰富的设计经验。该结构形式受力明确，传力路径清晰，单肢墙截面形式简单，结构整体刚度好，现在的研究和实践表明延性也非常好；在高层建筑中，其抵抗水平风荷载和地震荷载作用的能力突出；另外，成片墙体在施工中可以使用组合钢模板，施工速度快。但是由于其结构自重大、抗侧刚度大而带来的地震反应过大等结构缺点也不容忽视，计算结果表明过长的墙肢基本不能充分发挥承载力，墙体配筋基本为构造配筋，经济性不好。
本工程为小高层住宅楼，要求室内尽量无突出的阳角构件，底层也没有商业服务等大空间需要，因此普通剪力墙结构是可行的结构方案之一。本工程纵向与横向长度比接近6：1，布置剪力墙时必须注意控制横向刚度，以保证在计算双向地震作用，并考虑扭转耦连作用时能够满足要求。横向尽量布置长肢墙，减少开洞，纵向则适当开大洞。电梯井道布置剪力墙筒体，其他墙体对称布置，以保证刚度中心与质量中心尽量重合，避免扭转效应。普通剪力墙结构布置图如图2所示：
图2普通剪力墙结构布置图（截取一个单元）
2.2 短肢剪力墙结构
由于普通剪力墙结构墙体布置过多，自重大、延性差，对住宅空间严格限定与分隔，且经济性不好，因此随着人们对住宅平面与空间的要求越来越高，普通剪力墙结构已不能满足人们的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，即短肢剪力墙结构。
在小高层住宅中，与普通剪力墙结构相比，短肢剪力墙结构具有如下优点：结构布置灵活，墙的数量和肢长根据抗侧力的需要而定，数量可多可少，肢长可长可短，还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置；可以充分利用墙肢的承载能力，避免普通剪力墙结构中墙体过长而通常为构造配筋的浪费；结构自重轻，降低主体结构和基础造价，在地耐力较低的情况下经济效益尤其显著；结构自振周期长，结构抗侧刚度小，地震反应减小；主体结构中大多数墙肢呈受弯工作状态，从而保证墙体具有足够的延性；大多数连梁的跨高比大于2. 5，降低了连梁的自身刚度，避免连梁的剪切破坏，使连梁也具有足够的延性，进一步增强结构整体延性。
需要注意的是，规范明确规定高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构，短肢剪力墙所承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的40%∼50%，否则该方案判定为不合理，必须进行调整。因此，规范规定在进行短肢剪力墙结构抗震设计时，其抗震等级应提高一级取用，设计计算和构造措施也更加严格。
本工程在内外墙连接处、纵横墙连接处布置带有翼墙的L形、T形短肢墙，电梯井道布置剪力墙筒体。由于短肢剪力墙结构整体抗震性能较差，所以注重构造措施，加强外墙转角等薄弱部位的构造配筋。短肢剪力墙结构方案布置图如图3所示：
图3短肢剪力墙结构方案布置图（截取一个单元）
2.3 扁柱框架結构
框架结构受力明确，具有开放的、可变的建筑空间，因此，在不断追求空间利用率的趋势下，与其他结构形式相比，框架结构具有得天独厚的优势。但在住宅建筑中，框架结构外凸的梁柱严重影响了房间内寸土寸金的使用面积，扁柱框架结构成为了备选方案之一。其最大优点在于，既具有框架结构的优点，又解决了梁柱占用建筑空间的问题。
关于扁柱框架结构，规范中没有提及，只是相对于常规框架柱截面高厚比接近1来说，该结构柱截面高厚比接近3，呈狭长形式而得名，其仍属于框架结构，仍可按常规框架理论计算分析，但其狭长的截面形式注定其受力与普通框架结构有很大差异。应用于本工程，其缺点如下：
（1） 计算理论尚待完善。很多柱承受两个方向的偏心荷载，或者同一个方向承受不同轴线的荷载，应用钢筋混凝土偏心受压柱理论计算，没有专门的计算公式可依，实际设计时经常采用经验判断和力学概念判断，设计结果与实际受力情况有一定差异。
（2） 结构纵向刚度难以保证。因为横向为结构刚度弱方向，所以布置柱的时候，柱子长向沿结构横向布置，以弥补结构横向刚度不足，短向与墙厚相同，一般取200mm，如果建筑整体长宽比不是很大，其纵向结构刚度将难以保证，需要进行刚度计算并按结果采取相应调整措施。
（3） 柱子均处于大偏心受压状态，柱底弯矩过大，相应配筋和构造措施将加大。
（4） 因为住宅平面不规则，有些柱两侧的梁不同轴，承受水平地震作用时，柱内将产生较大的扭矩，扭转效应明显，将极大地增加柱的抗扭纵筋和箍筋。
（5） 为了实现梁柱不占用建筑空间的目的，梁与柱同宽，这意味着为了保证梁不超筋，梁高将要加大，因此要控制柱间距，以避免深梁出现。
本工程在内外墙转角、纵横墙交接处处布置扁柱，并保证各方向形成框架。扁柱框架结构方案布置图如图4所示：
图4扁柱框架结构方案布置图（截取一个单元）
3 结论
通过对以上各种结构形式的分析，明确了各结构的优缺点，最终本工程选定的结构形式为“有较多短肢剪力墙的普通剪力墙结构”，即在保证短肢剪力墙所承受的一阶震型倾覆力矩不超过结构总倾覆力矩的40%的前提下，尽可能多地布置短肢墙，既回避了规范中对短肢剪力墙结构抗震等级提高一级的规定，又能最大限度地保证建筑空间、节约成本。与之相比，扁柱框架结构受力复杂，抗震性能不好，需要严格的构造措施保证抗震能力，结构的综合可靠性和经济性都不够优秀。因此，经过综合比较，最终选定了“有较多短肢剪力墙的普通剪力墙结构”这样一种形式，其具有成熟的计算理论和设计经验，而且结构安全可靠，又符合住宅建筑对空间的要求，建议作为本工程的结构方案。最终选定的结构方案如图5所示：
图5最终选定的结构方案布置图（截取一个单元）
本文全面分析了小高层住宅楼可以采用的几种结构形式，明确了各种形式的优缺点，并提出了针对本工程比较合理的结构形式。希望本文在今后类似项目的实际工程设计中，对结构工程师有所帮助。
参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社2010
[2] 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）.北京：中国建筑工业出版社2010
[3] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社2010
[4] 混凝土异形柱结构技术规范（JGJ 149--2006）.北京：中国建筑工业出版社2006
[5] 杨星.短肢剪力墙结构设计中若干问题的探讨.建筑结构.技术通讯 2007年5月
[6] 侯书利，汪明栋，徐若娅，康 丽.小高层住宅结构方案——大开洞剪力墙与异型柱框剪结构对比分析. 地震工程与工程振动 2006年 6月 第 26卷 第 3期
关键词：小高层；住宅；结构方案；短肢剪力墙；扁柱框架
中图分类号：TU241.8 文献标识码：A 文章编号：
1 设计条件
某12层住宅楼，地质条件良好。建筑方案为板式小高层，共三个单元，每梯两户，户型简洁，设置一部电梯。要求结构设计人员定性分析几种可以采用的结构形式，从中确定最优结构，并给出设计建议。建筑平面方案如图1所示：
图1建筑平面方案（截取一个单元）
2 结构方案对比
根据给定条件，确定本工程可以采用的结构形式有普通剪力墙结构、短肢剪力墙结构、扁柱框架结构三种形式，分别分析如下：
2.1 普通剪力墙结构
普通剪力墙结构在现代建筑中得到了广泛的应用，并逐渐形成了完善的计算理论和丰富的设计经验。该结构形式受力明确，传力路径清晰，单肢墙截面形式简单，结构整体刚度好，现在的研究和实践表明延性也非常好；在高层建筑中，其抵抗水平风荷载和地震荷载作用的能力突出；另外，成片墙体在施工中可以使用组合钢模板，施工速度快。但是由于其结构自重大、抗侧刚度大而带来的地震反应过大等结构缺点也不容忽视，计算结果表明过长的墙肢基本不能充分发挥承载力，墙体配筋基本为构造配筋，经济性不好。
本工程为小高层住宅楼，要求室内尽量无突出的阳角构件，底层也没有商业服务等大空间需要，因此普通剪力墙结构是可行的结构方案之一。本工程纵向与横向长度比接近6：1，布置剪力墙时必须注意控制横向刚度，以保证在计算双向地震作用，并考虑扭转耦连作用时能够满足要求。横向尽量布置长肢墙，减少开洞，纵向则适当开大洞。电梯井道布置剪力墙筒体，其他墙体对称布置，以保证刚度中心与质量中心尽量重合，避免扭转效应。普通剪力墙结构布置图如图2所示：
图2普通剪力墙结构布置图（截取一个单元）
2.2 短肢剪力墙结构
由于普通剪力墙结构墙体布置过多，自重大、延性差，对住宅空间严格限定与分隔，且经济性不好，因此随着人们对住宅平面与空间的要求越来越高，普通剪力墙结构已不能满足人们的要求。于是在原有剪力墙的基础上，吸收了框架结构的优点，逐步发展形成了能适应人们新的住宅观念的高层住宅结构型式，即短肢剪力墙结构。
在小高层住宅中，与普通剪力墙结构相比，短肢剪力墙结构具有如下优点：结构布置灵活，墙的数量和肢长根据抗侧力的需要而定，数量可多可少，肢长可长可短，还可通过不同的尺寸和布置以调整刚度和刚度中心的位置；可以充分利用墙肢的承载能力，避免普通剪力墙结构中墙体过长而通常为构造配筋的浪费；结构自重轻，降低主体结构和基础造价，在地耐力较低的情况下经济效益尤其显著；结构自振周期长，结构抗侧刚度小，地震反应减小；主体结构中大多数墙肢呈受弯工作状态，从而保证墙体具有足够的延性；大多数连梁的跨高比大于2. 5，降低了连梁的自身刚度，避免连梁的剪切破坏，使连梁也具有足够的延性，进一步增强结构整体延性。
需要注意的是，规范明确规定高层建筑结构不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构，短肢剪力墙所承受的第一振型底部地震倾覆力矩占结构总底部地震倾覆力矩的40%∼50%，否则该方案判定为不合理，必须进行调整。因此，规范规定在进行短肢剪力墙结构抗震设计时，其抗震等级应提高一级取用，设计计算和构造措施也更加严格。
本工程在内外墙连接处、纵横墙连接处布置带有翼墙的L形、T形短肢墙，电梯井道布置剪力墙筒体。由于短肢剪力墙结构整体抗震性能较差，所以注重构造措施，加强外墙转角等薄弱部位的构造配筋。短肢剪力墙结构方案布置图如图3所示：
图3短肢剪力墙结构方案布置图（截取一个单元）
2.3 扁柱框架結构
框架结构受力明确，具有开放的、可变的建筑空间，因此，在不断追求空间利用率的趋势下，与其他结构形式相比，框架结构具有得天独厚的优势。但在住宅建筑中，框架结构外凸的梁柱严重影响了房间内寸土寸金的使用面积，扁柱框架结构成为了备选方案之一。其最大优点在于，既具有框架结构的优点，又解决了梁柱占用建筑空间的问题。
关于扁柱框架结构，规范中没有提及，只是相对于常规框架柱截面高厚比接近1来说，该结构柱截面高厚比接近3，呈狭长形式而得名，其仍属于框架结构，仍可按常规框架理论计算分析，但其狭长的截面形式注定其受力与普通框架结构有很大差异。应用于本工程，其缺点如下：
（1） 计算理论尚待完善。很多柱承受两个方向的偏心荷载，或者同一个方向承受不同轴线的荷载，应用钢筋混凝土偏心受压柱理论计算，没有专门的计算公式可依，实际设计时经常采用经验判断和力学概念判断，设计结果与实际受力情况有一定差异。
（2） 结构纵向刚度难以保证。因为横向为结构刚度弱方向，所以布置柱的时候，柱子长向沿结构横向布置，以弥补结构横向刚度不足，短向与墙厚相同，一般取200mm，如果建筑整体长宽比不是很大，其纵向结构刚度将难以保证，需要进行刚度计算并按结果采取相应调整措施。
（3） 柱子均处于大偏心受压状态，柱底弯矩过大，相应配筋和构造措施将加大。
（4） 因为住宅平面不规则，有些柱两侧的梁不同轴，承受水平地震作用时，柱内将产生较大的扭矩，扭转效应明显，将极大地增加柱的抗扭纵筋和箍筋。
（5） 为了实现梁柱不占用建筑空间的目的，梁与柱同宽，这意味着为了保证梁不超筋，梁高将要加大，因此要控制柱间距，以避免深梁出现。
本工程在内外墙转角、纵横墙交接处处布置扁柱，并保证各方向形成框架。扁柱框架结构方案布置图如图4所示：
图4扁柱框架结构方案布置图（截取一个单元）
3 结论
通过对以上各种结构形式的分析，明确了各结构的优缺点，最终本工程选定的结构形式为“有较多短肢剪力墙的普通剪力墙结构”，即在保证短肢剪力墙所承受的一阶震型倾覆力矩不超过结构总倾覆力矩的40%的前提下，尽可能多地布置短肢墙，既回避了规范中对短肢剪力墙结构抗震等级提高一级的规定，又能最大限度地保证建筑空间、节约成本。与之相比，扁柱框架结构受力复杂，抗震性能不好，需要严格的构造措施保证抗震能力，结构的综合可靠性和经济性都不够优秀。因此，经过综合比较，最终选定了“有较多短肢剪力墙的普通剪力墙结构”这样一种形式，其具有成熟的计算理论和设计经验，而且结构安全可靠，又符合住宅建筑对空间的要求，建议作为本工程的结构方案。最终选定的结构方案如图5所示：
图5最终选定的结构方案布置图（截取一个单元）
本文全面分析了小高层住宅楼可以采用的几种结构形式，明确了各种形式的优缺点，并提出了针对本工程比较合理的结构形式。希望本文在今后类似项目的实际工程设计中，对结构工程师有所帮助。
参考文献
[1] 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社2010
[2] 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）.北京：中国建筑工业出版社2010
[3] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社2010
[4] 混凝土异形柱结构技术规范（JGJ 149--2006）.北京：中国建筑工业出版社2006
[5] 杨星.短肢剪力墙结构设计中若干问题的探讨.建筑结构.技术通讯 2007年5月
[6] 侯书利，汪明栋，徐若娅，康 丽.小高层住宅结构方案——大开洞剪力墙与异型柱框剪结构对比分析. 地震工程与工程振动 2006年 6月 第 26卷 第 3期