六層無躍層坡屋頂剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉秋燕

本工程建于2007年,是北京市郊區(qū)某舊小區(qū)插建的一棟6層板式住宅樓,建筑風(fēng)格沿襲該小區(qū)原有風(fēng)貌,因此頂層采用了無躍層坡屋頂形式(該小區(qū)原有住宅均為無躍層坡屋頂磚混結(jié)構(gòu))。該工程地下1層,地上6層。標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8 m(頂層坡屋頂脊尖高2.2 m),住宅樓總高19.8 m。由于北京市早在2005年之前已禁止生產(chǎn)及使用各類黏土制品,因此本工程結(jié)構(gòu)形式采用剪力墻結(jié)構(gòu)?？拐鹪O(shè)防烈度8度,剪力墻抗震等級三級。剪力墻厚度180 mm,混凝土強(qiáng)度等級C25。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。

1 概念設(shè)計最為重要

北京地區(qū)為8度抗震設(shè)防區(qū),地震是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。考慮到大震發(fā)生的概率很低和建筑結(jié)構(gòu)抗震的經(jīng)濟(jì)性,我國規(guī)范采用的是較低地震力—較高延性方案,即采用比基本烈度降低1.5度(小震)配合概念延性構(gòu)造要求進(jìn)行抗震設(shè)計。抗震設(shè)計分為抗震計算設(shè)計和抗震概念設(shè)計兩大部分,人們在總結(jié)大地震災(zāi)害的基礎(chǔ)上認(rèn)識到,概念設(shè)計比計算設(shè)計更為重要。對于剪力墻結(jié)構(gòu),要通過選擇合理的結(jié)構(gòu)布置、合理的破壞機(jī)制、適宜的剛度和強(qiáng)度分布及延性設(shè)計等實現(xiàn)規(guī)范要求的安全度。

2 結(jié)構(gòu)布置

1)抗側(cè)力構(gòu)件的布置。該工程建筑平面呈矩形,因此剪力墻沿兩個軸線方向布置,并盡量拉通、對直,成一直線。平面布置盡可能均勻、對稱,盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心重合,以減少扭轉(zhuǎn)。在豎向,剪力墻自下至上連續(xù)布置,避免了剛度的突變。多層剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度不宜過大,否則將加大地震作用,影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo),因此除所有外墻均布置剪力墻外,內(nèi)橫墻僅在樓梯、電梯間及分戶墻位置設(shè)置了剪力墻。

2)剪力墻開洞。剪力墻的洞口大小、位置及數(shù)量對剪力墻的結(jié)構(gòu)受力影響很大,本工程盡量將門窗洞口上下對齊,成列布置,以形成明確的墻肢和連梁。

3)單片剪力墻的長度不宜過大。長度很大的剪力墻,剛度很大將使結(jié)構(gòu)的周期過短,地震力太大而不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)剪力墻處于受彎工作狀態(tài)時,才能有足夠的延性,故剪力墻應(yīng)當(dāng)是高細(xì)的,如果剪力墻長度太大時,將形成低寬剪力墻,就會因受剪而破壞,剪力墻呈脆性,不利于抗震。每個墻段的高寬比應(yīng)不小于2,每個墻肢的寬度不宜大于8.0 m,以保證墻肢是由受彎承載力控制。因此,本工程中對于長度較大的橫向分戶墻,通過在適當(dāng)位置開設(shè)結(jié)構(gòu)洞(也是施工洞),將其劃分為高寬比大于2,延性較好的獨立墻段。

3 整體計算

剪力墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移計算,應(yīng)選擇與實際受力狀態(tài)相近的計算模型軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。當(dāng)時我們使用的中國建筑科學(xué)研究院2005版結(jié)構(gòu)平面CAD軟件,對于混凝土結(jié)構(gòu),計算程序還不能考慮墻的坡度變化。因此電算建模時,只能將坡屋頂近似簡化成高度相當(dāng)?shù)钠轿蓓斴斎?。輸入頂層層高時,層高取頂層外縱墻高度與1/2山尖高度之和。建模時,頂層內(nèi)墻門洞連梁截面高度均同五層相應(yīng)位置連梁截面高度(層高與連梁高度之差即結(jié)構(gòu)洞口高度)。外縱墻為坡屋面起坡處,窗洞連梁截面實際高度均不大,因此按建筑圖實際尺寸輸入。采用多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析與設(shè)計軟件的SAT-8對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計算。

結(jié)構(gòu)整體計算完成后,電算結(jié)果顯示,剪力墻墻肢軸壓比較小;結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值遠(yuǎn)小于抗震設(shè)計規(guī)范要求;墻體鋼筋基本是按構(gòu)造要求配置的;各項結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)均滿足相關(guān)要求。

4 抗震設(shè)計

1)限制墻肢軸壓比。按照《北京市建筑設(shè)計技術(shù)細(xì)則》(結(jié)構(gòu)專業(yè))關(guān)于多層剪力墻的規(guī)定,抗震等級為三級時,多層剪力墻結(jié)構(gòu)中的一般剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過0.25。本工程剪力墻墻肢最大軸壓比為0.26。

2)配置剪力墻邊緣構(gòu)件。按照GB 50011-2001抗震規(guī)范6.4.6的規(guī)定,剪力墻兩端和洞口兩側(cè)應(yīng)設(shè)置邊緣構(gòu)件。本工程剪力墻抗震等級三級,可只設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件。構(gòu)造邊緣構(gòu)件的范圍,可按抗震規(guī)范圖6.4.8采用,其配筋除應(yīng)滿足計算要求外,還宜符合規(guī)范表6.4.8的要求。

3)設(shè)置底部加強(qiáng)部位。本工程為多層剪力墻結(jié)構(gòu),地下1層及地上1層按底部加強(qiáng)部位設(shè)計。

4)強(qiáng)剪弱彎。在大震作用下,為使墻肢及連梁實現(xiàn)強(qiáng)剪弱彎,避免發(fā)生脆性破壞,采用剪力增大系數(shù)調(diào)整墻肢底部加強(qiáng)部位的剪力計算值及連梁梁端截面組合的剪力計算值。

5 本工程的特殊情況

該工程是多層剪力墻結(jié)構(gòu),且平面剛度分布及荷載布置較均勻,因此各項結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)均較容易滿足相關(guān)要求。頂層坡屋頂部分無躍層,按照建筑施工圖的設(shè)計,頂層內(nèi)橫墻門口上皮至坡屋頂上皮之間的剪力墻高度較大,而內(nèi)縱墻門口上皮至坡屋頂上皮之間的剪力墻高度竟高達(dá)2.99 m(該住宅臥室門洞口高度2.1 m)。如果沿襲標(biāo)準(zhǔn)層的做法,在頂層門口下皮至結(jié)構(gòu)層上皮之間僅布置一根連梁,則該連梁截面高度可達(dá)2.99 m。而住宅臥室門口寬度僅為0.9 m,因此頂層連梁剛度太大,地震時極易破壞,是該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要謹(jǐn)慎對待的問題。如何設(shè)計坡屋頂頂層門上高大的剪力墻連梁,規(guī)范及一般的參考書都未涉及適合此情況的具體做法。

本工程是這樣設(shè)計的:內(nèi)橫墻及內(nèi)縱墻建筑門洞上方設(shè)過梁一道,僅承受其上方用于填充結(jié)構(gòu)洞的輕質(zhì)隔墻荷載,因此按構(gòu)造配筋即可。過梁之上開與之同寬的結(jié)構(gòu)洞,其上沿坡屋頂設(shè)置洞口連梁。參照電算結(jié)果,其截面尺寸及配筋均同五層相應(yīng)位置連梁。頂層洞口連梁設(shè)置如圖2,圖3所示。

6 結(jié)語

以往被廣泛應(yīng)用于高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu),由于砌體結(jié)構(gòu)高度受限,且黏土制品已禁止使用,以往被廣泛應(yīng)用于高層建筑的剪力墻結(jié)構(gòu),目前也逐漸用于低層及多層建筑。在廣大的農(nóng)村地區(qū),正越來越多地涌現(xiàn)出類似于本文中的多層坡屋頂住宅。如何通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,將此類工程做得既安全又經(jīng)濟(jì),是廣大業(yè)主的迫切希望,也是值得我們工程設(shè)計人員不斷探討的問題。

[1] 張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計釋疑及工程實例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.