熊海贝 许鸿盛*陈佳炜
（同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092）
摘 要：为了促进绿色建筑的推广和应用及发展装配式建筑，结合跃层住宅和轻型木结构的特点，提出了一种以钢筋混凝土剪力墙结构为主要抗侧力体系，在跃层住宅单元内使用木结构的新型高层住宅。并以某跃层住宅楼为例，对比分析了新型结构和原混凝土结构的受力性能和全寿命下的环境影响分析。结果表明新型轻木-混凝土跃层住宅是一种更为绿色环保的结构体系，能有效减小建筑物在地震作用下的响应，提高结构的经济性和安全性，可在高密度城市中推广应用。
关键词：跃层住宅，轻型木结构，混凝土结构，高层建筑
为加快绿色建材生产和应用，中华人民共和国住房和城乡建设部［1］制定并印发了《促进绿色建材生产和应用行动方案》。其中明确指出发展木结构建筑，推进多层木-混凝土混合结构建筑。《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》中指出推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，在具备条件的地方倡导发展现代木结构建筑［2］。
跃层住宅是当今流行的一种的住宅形式，是指套内空间跨越两个楼层且设有套内楼梯的住宅［3］。跃层住宅楼的室内空间丰富，以占据两个层高的竖向空间特点打破了普通平层住宅单一的平立面形式，使室内空间变换多样化，体现独特的个性［4］。
目前高层跃层住宅楼主要采用钢筋混凝土剪力墙体系，每一楼层（包括跃层）均为混凝土墙体和楼板。本文结合跃层住宅楼竖向空间设计灵活可变的需求，以及轻木结构舒适、质轻、节能环保和装配化的特点，提出跃层内空间采用轻型木结构墙板或楼板，主体结构和分户层楼板仍为混凝土的新型轻木-混凝土跃层住宅楼。
1.1 结构体系
多高层跃层住宅主要采用钢筋混凝土剪力墙结构，其常见的竖向布置主要有错层跃层和同层跃层两种。如图1所示，错层跃层是指住宅单元在竖向布置上相互错开、隔层跃层，可实现一梯一户，人员相对机密不混杂；同层跃层是指住宅单元竖向布置不相互错开，每两层同时跃层。
图1 跃层住宅楼常见竖向布置
Fig.1 Vertical arrangement of duplex apartment building
轻木-混凝土跃层住宅是指在钢筋混凝土剪力墙结构的基础上，结合跃层的特点，遵循建筑功能不变、空间布置相同的原则，利用户内空间的独立性，将户内楼盖改为轻木楼盖、户内墙体改为轻木墙体、户内混凝土楼梯改为木结构楼梯，户与户之间依然采用混凝土楼盖，外墙依然采用钢筋混凝土剪力墙的新型住宅体系。
1.2 优点
与原结构相比，新型轻木-混凝土结构跃层住宅在以下4个方面有独特的优势。
（1）建筑功能及舒适性
木材自然美观、纹理亲和、可增加温暖亲切的效果、带来舒适的居住体验，将其作为装饰面层是当今流行的装修风格。轻木-混凝土跃层住宅中木隔墙、木楼盖中的覆面板既可作为结构层，又可作为装饰面层，实现建筑与结构的统一，减少二次装修在材料成本上的投入。同时轻木结构良好的保温隔热性能，可有效提高户内的能源利用，降低能耗。
住宅使用年限一般长达数十年，不可避免的会因使用功能变动等因素需要改造。轻木-混凝土跃层住宅在住宅单元内使用木楼板、木剪力墙，使得住宅空间设计具有更大的灵活性，能满足因功能变动引起的改造需求。
（2）施工速度及经济性
钢筋混凝土剪力墙结构施工一般采用滑模施工，影响施工速度的重要因素是现浇楼板的施工。因其需要支模、楼板钢筋网绑扎、浇捣、拆模等，施工缓慢。每两层作为一个混凝土楼层，可有效加快施工速度。目前国家提倡装配式建筑，轻木-混凝土跃层住宅户内隔墙和户内楼板采用预制装配式轻木楼盖和木隔墙，其施工速度比现浇混凝土楼板有很大提高。户内的轻木楼盖和木隔墙可与混凝土结构交错施工，进一步提高施工速度。
（3）基础工程
高层建筑的基础是整栋高层建筑结构的关键部分，基础工程量是关系到高层建筑经济性的重要指标。轻木-混凝土跃层住宅中使用轻木构件替换部分混凝土构件，减少了结构质量。结构质量的减少，可减少桩数及基底反力，进而减小底板的厚度，有助于缩短工期、减少成本、提高经济性。
（4）生命周期内对环境的影响
建筑是社会最大的耗能单元，降低其碳排放对实现可持续发展和节能减排具有重要意义。
文献［5］给出了不同建材生产阶段的碳排放系数。不同建材生产阶段的碳排放系数差异极大，钢材的碳排放系数最高，达到6 470 kg CO2／t。水泥作为混凝土的主要成分，它的碳排放系数为1 220 kg CO2／t。而轻型木结构建筑中常用的规格材和OSB板的碳排放系数分别为30.3 kg CO2／t和550 kg CO2／t，均远小于钢材和混凝土。
文献［6］研究表明木结构在建设阶段的能耗为8～20 MJ／m2、碳排放为0.5～2.5 kg／m2，混凝土结构在建设阶段的能耗为20～120 MJ／m2、碳排放为5～20 kg／m2。木结构在施工阶段的能量消耗远远小于混凝土结构。
文献［7］以某一教学楼为例，采用Athena模型，分析木结构、混凝土结构及钢结构在除使用阶段运行能耗以外的生命周期内对环境的影响。分析结果表明木结构作为天然有机材料，它的建筑能耗、对人类健康的影响和生态破坏均比混凝土结构和钢结构低，体现了环境友好性。选择木结构建筑是建筑业节能减排的有效途径。
对于轻木-混凝土跃层住宅体系，其抗震性能是结构的规则性、不同材料、结构受力和变形的协调。针对轻木结构与混凝土梁的连接问题，文献［8］分析了轻型木结构在混凝土梁上连接的设计、施工以及对原结构的影响等问题。上部2层轻木结构下部1层混凝土结构的整体足尺振动台试验［9］进一步显示出混凝土结构与轻型木结构连接的可靠性，以及上部轻木结构下部混凝土结构的抗震合理性和有效性。文献［10］针对混凝土框架木楼盖刚度及抗侧力连接进行了分析研究。文献［11］对一个一层的混凝土框架木楼盖混合结构模型进行了水平加载试验。试验结果表明：木楼盖具有良好的平面内刚度，能保证结构整体的延性、耗能能力以及极限承载能力。文献［12］对单榀的内嵌预制木剪力墙的混凝土框架进行了数值模拟和静力试验，试验考虑了平面外风荷载、水平荷载和竖向荷载三种工况。上述试验和数值分析表明，内嵌轻木剪力墙的混凝土框架混合结构能保证侧向承载力、传递和承受水平荷载，能够满足正常使用要求及极限承载能力。
2.1 工程概况
某住宅楼位于上海市嘉定区，是一栋24层跃层单元式住宅楼，总建筑面积7 229 m2，建筑高度84.2 m。该住宅楼由三种户型的跃层住宅组合而成。这三种户型组合成不断重复的基本单元。该住宅楼原设计采用钢筋混凝土剪力墙结构，电梯井墙厚为200 mm，底部加强区除电梯井外墙厚250 mm，其余墙厚为200 mm；楼板为120 mm厚现浇混凝土板；填充墙选用190厚混凝土空心砌块。混凝土梁根据不同的跨度截面尺寸主要有200 mm×400 mm、250 mm×600 mm、300 mm× 700 mm三种。
本文在原设计的基础上提出了两种轻木-混凝土跃层住宅方案。
（1）轻木-混凝土跃层住宅方案一
方案一保留原有的建筑布置，在跃层住宅单元的户内楼板选用木-混凝土混合楼盖体系，户内分隔墙选用木剪力墙。方案一的平面布置及剖面如图2所示。
图2 方案一基本单元示意图
Fig.2 Schematic diagram of basic unit of first scheme
（2）轻木-混凝土跃层住宅方案二
方案一的建筑特点是每层一梯一户，人员相对机密不混杂，但楼层平面规则性较差。在其基础上对跃层住宅楼进行优化，提出方案二。该方案中混凝土结构层高为原设计中的两层层高，即图3中的混凝土层；在混凝土层内使用轻型木结构形成跃层户型，即图3中的轻木层。
图3 方案二基本单元示意图
Fig.3 Schematic diagram of basic unit of second scheme
2.2 抗震分析
为了分析轻木-混凝土高层住宅的抗震性能，本文采用PKPM建筑设计分析软件对原结构和两种轻木-混凝土高层住宅方案进行有限元分析。
计算假定如下：
（1）忽略木构件对整体结构抗侧力性能的贡献
木框架剪力墙是轻木结构中的主要抗侧力构件，但其抗侧刚度远小于钢筋混凝土剪力墙，因此可忽略其对结构整体抗侧力性能的贡献。
（2）考虑木构件的自重及木楼盖上的使用活载
为保证结构总体动力特性的正确性，木结构的自重及木楼盖上的使用活载不可忽略。建模时，将轻木层楼面荷载按单向受力的方式分配到支撑楼面搁栅的木剪力墙上，将楼面荷载及木墙自重折算为线荷载直接作用在木墙下的混凝土梁上。
（3）木-混凝土混合楼盖中的木楼板按照厚度为零建模，以方便荷载输入，其恒载和活载另行输入。木楼板为弹性楼板，不采用平面内刚性假定。
该住宅楼位于上海市，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50010—2010），抗震设防烈度7度，设计基本加速度值为0.1 g，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅳ类，T g＝0.9 s。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008），建筑抗震设防类别为丙类，按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施。
2.3 抗震结果对比分析
表1为原结构和方案一、方案二的质量对比。从表中可知，与原混凝土结构相比，方案一将1 120 m2的混凝土楼板替换成了木楼板，总质量减少了1 004.1 t，达到了11.2%；方案二将1 750 m2的混凝土楼板替换成了木楼板，总质量值减少1 816 t，达到了20.2%。
表2为三种结构的周期和振型对比。从表中可知，原混凝土结构与方案一在地震作用下，结构反应基本一致；由于质量的减小，方案一的自振周期与原混凝土结构相比有所减小，前5个振型吻合度极高、平动系数基本一致；由于将部分楼板替换成木楼板，导致楼层质心位置与原结构不重合，表现为同一振型X方向和Y向的平动系数不一致。比较方案一和原结构，其动力特性基本一致，表明结构扭转效应不明显，未对其抗震性能造成不利影响。方案二由于每两层减少了一层混凝土楼板，木楼板对墙体的出平面支撑作用忽略不计，墙体的高厚比增大，较原结构抗侧刚度降低，因此周期增加；由于结构沿高度方向的布置更规整，其振型中扭转成分的比例比前两种方案小。
结构质量的减少及自振周期的变化将引起地震作用的变化。图4为三种结构的水平地震力。对于方案二，减少的20.2%的质量及周期的增大使其X向地震力比原混凝土结构减少500.17 kN，达到20.5%，Y向减小661.85 kN，达到26.2%。虽然周期变短将导致地震作用的增大，但是方案一减少了11.2%质量，与原混凝土结构相比，其地震作用力X向减小220.19 kN，达8.9%，Y向减小205.61 kN，达8.1%。
表1 结构质量对比
Table 1 Structuremass comparison
／t原混凝土结构 8 965.6 608.3 9 573.结构质量 恒载产生的总质量／t活载产生的总质量／t结构的总质量9方案一 7 961.5 608.3 8 569.8方案二 7 149.6 601.1 7 788.5
表2 振型及周期对比
Table 2 M ode and period com parison
振型原混凝土结构 方案一 方案二周期／s 平动系数（X＋Y） 周期／s 平动系数（X＋Y） 周期／s 平动系数（X＋Y）1 1.714 6 0.98（0.92＋0.06） 1.640 7 0.97（0.88＋0.09） 1.890 3 1.00（0.99＋0.00）2 1.667 3 0.96（0.07＋0.88） 1.596 2 0.96（0.11＋0.85） 1.767 5 0.88（0.00＋0.88）3 0.822 4 0.07（0.01＋0.06） 0.789 0 0.07（0.01＋0.06） 0.806 1 0.13（0.01＋0.12）4 0.478 1 0.98（0.97＋0.01） 0.457 0 0.98（0.97＋0.01） 0.456 8 0.99（0.99＋0.00）5 0.401 4 0.90（0.02＋0.88） 0.383 2 0.90（0.02＋0.88） 0.384 7 0.85（0.00＋0.85）6 0.236 0 0.54（0.48＋0.06） 0.226 3 0.46（0.39＋0.07） 0.207 3 0.17（0.02＋0.15）
图4 水平地震力
Fig.4 Horizontal seismic force
地震剪力的减小使得倾覆力矩大大减小。图5为三种结构的倾覆力矩。原混凝土底层的X向的最大倾覆力矩为123 794.79 kN·m，Y向为118 404.95 kN·m。方案一X向的最大倾覆力矩为115 237.2 kN·m，Y向为109 650.2 kN·m分别减小了6.9%和7.4%；方案二X向的最大倾覆力矩为92 724.8 kN·m，Y向为89 783.8 kN·m，分别减小了25.1%和24.2%。
图5 地震作用下倾覆力矩
Fig.5 Overturningmoment under earthquake
图6 、图7分别为各楼层位移和层间位移角的对比图。原混凝土结构和方案一的位移曲线发展趋势一致、光滑，说明结构刚度基本均匀、无突变。原混凝土结构的顶层位移36.58 mm，方案一因为地震力的减小，楼层位移和层间位移角均比原混凝土结构有所减小，其减小值随楼层的增高而变大。方案二虽然地震力最小，但是由于结构混凝土层层高变为原来的两倍，结构变柔，因此位移比另两种方案大，位移曲线呈现出弯剪型的特点，上部楼层的层间位移角比另两种方案大。
图6 地震作用下楼层位移
Fig.6 Floor displacement under earthquake
图7 地震作用下层间位移角
Fig.7 Story drift under earthquake
2.4 节点讨论
混凝土与轻型木结构的连接可按照下面构造要求进行连接处理。
在木-混凝土“混合楼盖”体系中，木楼盖与混凝土构件有两种连接方式，其连接构造见图8。连接方式1木楼盖直接搁置在混凝土梁上，通过预埋的锚栓固定；连接方式2木楼盖顶面与混凝土梁顶面平齐，通过预先连接在混凝土梁上的角钢与预埋的锚栓连接。
图8 木楼盖与混凝土梁连接
Fig.8 Connection between wood floor framing and concrete beam
木剪力墙仅作为户内分隔墙。为了保证混凝土构件不会因收缩、徐变等对其产生荷载，木剪力墙顶部和混凝土构件的连接应留有一定的空隙。Eriksson［13］等研究表明该空隙需要16～19 mm。图9为木剪力墙上部与混凝土构件的连接示意图。L型钢预先与混凝土构件通过锚栓连接，预制好的木墙通过连接螺栓与L型钢相连。为了防止木材因收缩等因素在螺栓孔处产生裂缝，螺栓与木材留有一定的间距。图10为木剪力墙底部与混凝土构件的连接示意图。每隔一段距离设置一个木垫块，木垫块与混凝土构件通过水泥钉或者锚栓连接，预制好的木墙通过钉子与木垫块相连。
木结构材料具有绿色环保、低碳节能、易建造、成本低、质量轻、结构抗震性能好、舒适宜居等优点，是建筑行业节能减排的一大选择。本文提出了一种以钢筋混凝土剪力墙结构为主要抗侧力体系，在单元内使用木楼板、使用木剪力墙当填充墙的新型轻木-混凝土高层跃层住宅结构体系，并针对某24层跃层单元式高层住宅楼进行了三种方案的抗震性能对比研究。主要结论如下：
图9 木墙体顶部连接
Fig.9 Top connection
图10 木墙体底部连接
Fig.10 Bottom connection
（1）扩宽了木材这种绿色环保的结构用材在多高层建筑的使用。减少了混凝土的使用，减少了建造过程对环境的不利影响，降低碳排放量，具有巨大的环境效益。木剪力墙及木楼板在工厂预制，现场拼装吊装，可有效缩短工期，节约时间成本。
（2）轻木-混凝土跃层住宅体系结构自重小，抗震性能良好。与原结构相比，方案二X向、Y向的水平地震剪力分别减小了20.5%和26.2%，倾覆力矩分别减小了24.1%和24.2%。结构自重减小的同时可减少对混凝土构件及基础的需求，缩小工程量。
（3）与混凝土楼板和混凝土砌块隔墙相比，木楼板与木剪力墙不仅能提高更加舒适的居住体验还能提供更大的适应性空间。
（4）为了验证新型木-混凝土高层住宅结构的可行性，本文新型轻木-混凝土跃层住宅结构的混凝土构件截面尺寸及布置完全和纯混凝土结构一致。实际工程应用时，方案二因结构自重降低、结构更规则，混凝土结构有一定的优化空间。
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Seism ic Performance of LightW ood-Concrete Structure for Dup lex Apartment Building
XIONG Haibei XU Hongsheng*CHEN Jiawei
（Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai200092，China）
Abstract：In order to promote the production and application of green buildingmaterials and the development of assembly building，according to the characteristics of duplex apartment and lightwood-frame structure，a new high rise residential system is proposed in this paper.In this system，shear wall structure acts as the main lateral force resisting system，and wood structure is used in the unit.A duplex residential building as an example，the structure and the corresponding original concrete structure are compared and analyzed.The results show that this lightwood-concrete high rise residential system is a new type of green environmental protection structure.It can effectively reduce the response of the structure under earthquake，improve the economy and security of the structure.The system can be popularized and applied in high density city.
Keywords：duplex apartment building，lightwood-frame structure，concrete structure，tall buildings
收稿日期：2016－11－30
基金项目：地震工程国际合作联合实验室合作基金资助协议
*联系作者，Email：2014_xhs＠tongji.edu.cn
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