以工程實(shí)例分析某商住樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊琴

（貴州省建筑科研設(shè)計(jì)院，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 引言

某商住樓為新農(nóng)村建設(shè)項(xiàng)目，一樓由于臨街用作商業(yè)，采用底部框架抗震墻結(jié)構(gòu)；上部為五層住宅，采用砌體結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組。

設(shè)計(jì)地震分組為第三組，具有不同自振周期的建筑的設(shè)計(jì)計(jì)算的地震作用增加幅度是不同的。由于磚混結(jié)構(gòu)和底框結(jié)構(gòu)層數(shù)和高度受到限制，剛度大、周期短，一般直接采用水平地震影響系數(shù)最大值計(jì)算得到水平地震作用。也就是說(shuō)，改變?cè)O(shè)計(jì)地震分組，不會(huì)增加砌體結(jié)構(gòu)或底框結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)地震抗力。本工程從平立面布置、構(gòu)造、材料等多方面進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)，并利用有限元整體計(jì)算得到指標(biāo)衡量房屋的規(guī)則性，以實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

2 抗震概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

底部框架—抗震墻結(jié)構(gòu)的布置僅畫(huà)在11軸以左，11軸以右為上部砌體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層布置。平面長(zhǎng)度30240mm，寬度12090mm。底層層高3.95m，標(biāo)準(zhǔn)層層高3m，房屋總高度18.95m，房屋的高寬比為1.56。A軸線(xiàn)是建筑臨街的一面，為底層商鋪的入口。兼顧建筑使用要求和結(jié)構(gòu)抗震需要，抗震墻布置如圖1中11軸線(xiàn)以左，抗震墻墻肢及端柱用涂黑表示。

圖1 結(jié)構(gòu)平面設(shè)計(jì)

上部的砌體磚墻與底部的框架梁或抗震墻基本對(duì)齊，每戶(hù)僅在廚房有一道不長(zhǎng)的磚墻落在轉(zhuǎn)換次梁上，例如14軸線(xiàn)上的D-E墻段。底部抗震墻力求均勻、對(duì)稱(chēng)布置，并盡量設(shè)置在房屋四周，以抑制地震時(shí)的扭轉(zhuǎn)。各抗震墻墻肢長(zhǎng)度大致相近，且均不超過(guò)層高?？蚣芎涂拐饓Φ目拐鸬燃?jí)均為三級(jí)；抗震墻主要是承受水平剪力，僅設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。底框結(jié)構(gòu)的縱向受力鋼筋的受力性能應(yīng)滿(mǎn)足下列條件:鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值的比值不應(yīng)小于1.25；鋼筋的屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1.3；且鋼筋在最大拉力下的總伸長(zhǎng)率實(shí)測(cè)值不應(yīng)小于9%。上部砌體結(jié)構(gòu)，由于用作住宅，橫向墻體間距較小。圖1中11軸線(xiàn)以右的砌體結(jié)構(gòu)布置中，涂黑的為標(biāo)準(zhǔn)層構(gòu)造柱。外墻的四角和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角(凸角)處，內(nèi)墻與外墻交接處、較大洞口兩側(cè)，均設(shè)置構(gòu)造柱。過(guò)渡層在底部框架柱對(duì)應(yīng)位置處均設(shè)置構(gòu)造柱。圖1中11軸線(xiàn)以右編號(hào)為GZ1的陰影小柱僅為過(guò)渡層構(gòu)造柱，過(guò)渡層以上不再設(shè)置。構(gòu)造柱縱筋為4覫14。構(gòu)造柱與墻連接處應(yīng)砌成馬牙槎，并沿墻高每隔500mm設(shè)2覫6拉結(jié)鋼筋，每邊伸入墻內(nèi)1m。砌體結(jié)構(gòu)采用MU10頁(yè)巖多孔磚，過(guò)渡層及上一層采用M10混合砂漿，其余采用M7.5混合砂漿。頂部?jī)蓪拥卣鹆ο鄬?duì)較小，但砂漿強(qiáng)度不降至抗震規(guī)范的最低要求M5，是為了適當(dāng)提高抗震能力，同時(shí)也有利于防止頂層砌體出現(xiàn)溫度裂縫。

本工程樓、屋面板均為現(xiàn)澆，標(biāo)準(zhǔn)層板厚100mm，屋面板厚度120mm；由于地震時(shí)要傳遞不落地砌體磚墻的水平力，過(guò)渡層底板厚度取為130mm，并設(shè)雙層雙向配筋。上部砌體結(jié)構(gòu)在3層(過(guò)渡層頂板)、5層及屋面隔層均設(shè)置240mm×180mm圈梁；未設(shè)置圈梁樓層的樓板內(nèi)沿墻體設(shè)3覫10加強(qiáng)筋，并與相應(yīng)的構(gòu)造柱連接。構(gòu)造柱與圈梁、現(xiàn)澆板一起約束砌體，增加了結(jié)構(gòu)的空間剛度和整體穩(wěn)定性，也使砌體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有更好的延性。本工程砌體墻段的局部尺寸一般不少于1m，并且在同一軸線(xiàn)上的窗間墻寬度盡量均勻。由于建筑條件限制，個(gè)別墻段的長(zhǎng)度僅為840mm，因此在該墻段上設(shè)置有構(gòu)造柱，構(gòu)造柱縱筋直徑亦比規(guī)范要求增大一級(jí)，以避免地震時(shí)局部薄弱墻段的首先破壞而導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，造成各個(gè)擊破，最終整個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌，或塌落傷人。

樓梯間墻沒(méi)有樓板作為墻的支撐，而只有斜向的樓梯。樓梯不允許嵌入墻內(nèi)，對(duì)墻體不起支撐作用，所以，樓梯間墻高而空曠，尤其頂層墻體更是形成一層半高的高墻而無(wú)側(cè)向約束。且樓梯的梯段為連接兩層的斜撐構(gòu)件，地震時(shí)受力復(fù)雜，樓梯間在地震中容易首先遭到破壞甚至倒塌，影響地震時(shí)人員的疏散逃生。按08規(guī)范局部修訂的要求，樓梯段上下端對(duì)應(yīng)墻體處增加4根構(gòu)造柱，與在樓梯間四角設(shè)置的構(gòu)造柱合計(jì)有8根構(gòu)造柱。頂層樓梯間橫墻和外墻沿墻高每隔500mm設(shè)2覫6通長(zhǎng)鋼筋，其余各層在休息平臺(tái)標(biāo)高(半層高)設(shè)置60mm厚的鋼筋混凝土帶。另外樓梯間作為薄弱房間，平面布置時(shí)避開(kāi)了應(yīng)力集中、對(duì)扭轉(zhuǎn)敏感的房屋轉(zhuǎn)角部位和端部。

3 建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性的量化指標(biāo)計(jì)算

本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM序列程序進(jìn)行計(jì)算。利用PMCAD可以計(jì)算得到砌體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層與底部框架抗震墻的側(cè)移剛度比值:x向?yàn)?.31，y向?yàn)?.38。說(shuō)明底部抗震墻設(shè)置數(shù)量合理，不會(huì)使底層剛度過(guò)小形成薄弱層，避免地震時(shí)彈塑性變形嚴(yán)重集中在底層而破壞；砌體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層的側(cè)移剛度仍然大于底層，也避免了薄弱層向砌體過(guò)渡層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)層在罕遇地震下破壞嚴(yán)重的情況。

本工程的結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿高度變化相對(duì)均勻，較好地符合了規(guī)范對(duì)底框磚混結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性要求。砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范方法是利用底部剪力法算出各層的水平地震剪力，再分配給本層各抗側(cè)力構(gòu)件。這種計(jì)算方法不能反應(yīng)質(zhì)量形心與剛心不一致、底框結(jié)構(gòu)與上部砌體結(jié)構(gòu)剛度形心不一致等產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用，因此從計(jì)算的角度，也要求結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則對(duì)稱(chēng)，限制地震時(shí)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。SATWE程序提供了一種有限元整體算法，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)或底框磚混結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。其原理是將砌體假定為各向同性的均質(zhì)材料，并用SATWE墻單元模擬。利用有限元整體算法進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)或底框磚混結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前還有局限性，規(guī)范也未涉及此方法，本工程僅利用其計(jì)算出的各項(xiàng)規(guī)則性指標(biāo)。

本工程砌體材料的彈性模量取為2.550kN/mm2，計(jì)算得到結(jié)果如下。底部框架抗震墻的偏心率，x向?yàn)?0.03%，y向?yàn)?.15%。上部砌體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層的偏心率，x向?yàn)?.08%，y向?yàn)?.66%。底部框架抗震墻結(jié)構(gòu)的剛度形心和上部砌體標(biāo)準(zhǔn)層的剛心和質(zhì)心在平面位置上均比較接近。以底層框架抗震墻作為基準(zhǔn)，上部砌體標(biāo)準(zhǔn)層的剛心相對(duì)于底部框架抗震墻結(jié)構(gòu)的剛度形心的偏心率，x向?yàn)?.07%，y向?yàn)?.99%。上部砌體標(biāo)準(zhǔn)層的質(zhì)心相對(duì)于底部框架抗震墻結(jié)構(gòu)的剛度形心的偏心率，x向?yàn)?0.02%，y向?yàn)?.71%，也就是說(shuō)底部框架抗震墻結(jié)構(gòu)的剛心與整幢房屋的質(zhì)心的平面位置亦較為一致。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比為0.701。樓層豎向構(gòu)件的最大彈性水平位移 (或?qū)娱g位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的比值，x向?yàn)?.1，y向?yàn)?.0。由于程序原因，位移比計(jì)算還沒(méi)有考慮偶然偏心影響的地震作用。計(jì)算結(jié)果表明，本工程底框-上部磚混的整個(gè)結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)性好。為了進(jìn)一步考察上部砌體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，單獨(dú)取上部5層砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元整體計(jì)算。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期Tt與平動(dòng)為主的第一自振周期T1之比為0.711。樓層豎向構(gòu)件的最大彈性水平位移(或?qū)娱g位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或?qū)娱g位移)平均值的比值，x向?yàn)?1.1，y向?yàn)?.0。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章結(jié)合工程實(shí)例，簡(jiǎn)要介紹了底框磚混結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)主要內(nèi)容，并利用有限元整體算法，計(jì)算得到建筑結(jié)構(gòu)規(guī)則性的量化指標(biāo)。為底框結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供了良好范例。

[1]金海良,卞幸福.商住樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的探討[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2010-03-10.