混凝土小型空心砌塊房屋的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究

王學(xué)軍 何 偉 劉曉強

(1.山西省農(nóng)牧業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院，山西 太原 030001; 2.上海興濤建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所，上海 200092)

0 引言

隨著砌體房屋承重墻體材料的發(fā)展和黏土燒結(jié)多孔磚被限制使用，混凝土小型空心砌塊房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計會越來越多。8度地震區(qū)6層混凝土小型空心砌塊房屋是符合現(xiàn)行規(guī)范的，是不超限的，扎實地做好這類房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究與分析是非常需要的。混凝土小型空心砌塊尺寸的規(guī)格按05J102—1混凝土小型空心砌塊墻體建筑構(gòu)造中的190 mm,280 mm和90 mm砌塊選用。

1 滿足規(guī)范要求的房屋承重墻體材料的選擇及其重量的計算

準(zhǔn)確計算房屋承重墻體材料容重，使計算的地震作用貼近砌塊房屋建筑的真實情況是結(jié)構(gòu)計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。按GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范(以下簡稱抗規(guī))7.4.2條小砌塊芯柱截面不宜小于120 mm×120 mm的要求，則190系列混凝土小型空心砌塊的空心率為不小于38.9%，按GB 50003—2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(以下簡稱砌體規(guī)范)2.1.8條混凝土小型空心砌塊的孔洞率最大為50%。按砌體規(guī)范2.1.5條燒結(jié)多孔磚的孔洞率不大于35%。

選取的承重墻體材料為：混凝土小型空心砌塊按390 mm×190 mm×190 mm、孔洞率為50%考慮。本文中引用的實際工程采用DP3型多孔磚(240 mm×115 mm×115 mm，孔洞率為31.6%,容重為12.25 kN/m3，生產(chǎn)線從聯(lián)邦德國引進)。這兩種承重墻體材料均滿足規(guī)范要求。墻面抹灰按雙面水泥砂漿考慮。

墻體厚度190 mm的單位面積混凝土小型空心砌塊(按總孔數(shù)1/4灌芯計算)墻重量=0.95×0.97×0.19×24×(0.50+0.5/4)+(1-0.95×0.97)×20×0.19=2.626 3+0.298 3=2.924 6 kN/m2，混凝土小型空心砌塊砌體容重=2.924 6/0.19=15.392 6 kN/m3。換算為結(jié)構(gòu)軟件計算用的砌體容重=(2.924 6+0.02×20×2)/0.19=19.603 kN/m3。

墻體厚度240 mm的單位面積DP3型燒結(jié)多孔磚墻重量=4×0.115×(0.92+0.96)×0.24×12.25+[1-4×0.115×(0.92+0.96)]×20×0.24+0.01×0.115×0.96×(20-12.25)×4=2.542 5+0.649 0+0.034 2=3.225 7 kN/m2，DP3型燒結(jié)多孔磚砌體容重=3.225 7/0.24=13.440 4 kN/m3。換算為結(jié)構(gòu)軟件計算用的砌體容重=(3.225 7+0.02×20×2)/0.24=16.774 kN/m3。墻體材料單位面積重量計算簡圖如圖1所示。

2 承重墻體抗剪承載力的比較

決定承重墻體抗剪承載力的重要因素是墻體沿砌體灰縫截面破壞時的抗剪強度設(shè)計值,這一取值按砌體規(guī)范3.2.2條執(zhí)行。

不同砌體材料墻體抗剪能力的比較采用比強度方法來進行，各種砌體材料墻體抗剪能力排名見表1。

表1 各種砌體材料墻體抗剪能力的比較

用比強度的觀點來看，混凝土小型空心砌塊墻體的抗剪能力比燒結(jié)多孔磚墻體的抗剪能力要降低很多，相當(dāng)于燒結(jié)多孔磚砌體的抗剪能力的46.2%，不到燒結(jié)多孔磚砌體的抗剪能力的1/2。8度地震區(qū)6層混凝土小型空心砌塊房屋雖然規(guī)范允許，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計也是具有很高難度的設(shè)計工作。

3 實際工程為背景的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

3.1 實際工程情況

太原漪汾苑小區(qū)F—8樓為6層住宅樓，平面圖見圖2。各層高度：1層～5層2.8 m，6層3.0 m?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計基本地震加速度為0.20g。該樓采用縱橫墻體混合承重的結(jié)構(gòu)方案，所有現(xiàn)澆部分的混凝土強度等級為C20。在±0.000以上均采用MU10的DP3型燒結(jié)多孔磚；外墻及標(biāo)高5.53以下的通長內(nèi)縱墻的墻厚370 mm，其余墻體的厚度均為240 mm；標(biāo)高11.13以下采用M10水泥砂漿，以上采用M7.5水泥砂漿。在樓層、屋蓋平面內(nèi)，廚房、衛(wèi)生間、樓梯間、陽臺及其一定范圍內(nèi)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土板，其余部分采用裝配整體式鋼筋混凝土空心板。

除按GBJ 11—89建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求設(shè)置構(gòu)造柱(房屋四角、內(nèi)墻與外墻交匯處、樓梯間四角)和圈梁(每層設(shè)置圈梁、每開間設(shè)置圈梁)外，在內(nèi)縱墻與橫墻交接處也布置一排構(gòu)造柱。構(gòu)造柱截面為240 mm×240 mm，構(gòu)造柱在圈梁上下各500 mm范圍內(nèi)加密箍筋，構(gòu)造柱自筏基底面做起。多布置構(gòu)造柱以增強砌體房屋結(jié)構(gòu)的延性。該工程已于20世紀(jì)90年代初竣工并投入使用。

3.2 實際工程采用混凝土小型空心砌塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計

如果實際工程采用混凝土小型空心砌塊(以下簡稱小砌塊)，建筑專業(yè)現(xiàn)在樓梯間取消垃圾道布置后，樓梯間外墻的門窗采用居中布置；各層高度不變：1層～5層2.8 m，6層3.0 m；由于屋面保溫材料的進步，現(xiàn)在屋面恒載可以減小一些；構(gòu)造柱布置不變，截面不小于190 mm×190 mm；圈梁每層設(shè)置，截面不小于190 mm×200 mm。樓板采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板。抗震構(gòu)造措施和芯柱的布置等按抗規(guī)7.4節(jié)執(zhí)行。砌塊墻體按總孔數(shù)1/4用Cb20混凝土灌芯考慮?？拐鹪O(shè)防烈度為8度，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計基本地震加速度為0.20g。

樓面恒載3.50 kN/m2，樓梯間恒載3.70 kN/m2，陽臺恒載5.50 kN/m2(考慮陽臺欄板重量)，衛(wèi)生間、樓梯間、陽臺活載2.50 kN/m2，其余樓面活載2.0 kN/m2；屋面恒載4.0 kN/m2，屋面活載0.5 kN/m2。小砌塊房屋樓面荷載與實際工程接近。

內(nèi)橫墻厚度全部為190 mm；北外墻1層～3層厚390 mm，4層～6層及其他外墻厚280 mm；1層～3層通長內(nèi)縱墻厚390 mm，其他內(nèi)縱墻厚280 mm，4層～6層內(nèi)縱墻厚190 mm。1層～4層采用M10水泥砂漿，5層,6層采用M7.5水泥砂漿。隔墻采用90 mm厚砌塊，其墻體抗剪能力不考慮，其重量按荷載輸入。

結(jié)構(gòu)計算采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM軟件2010版v3.1.5，墻體砌體容重按19.60 kN/m3輸入。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究

3.3.1小砌塊墻體的抗剪能力分析

8度抗震區(qū)多層房屋抗震計算較弱的部位一般是在縱向，主要是縱墻的數(shù)量少于橫墻的數(shù)量，且縱墻上開窗開門也多。本文實際工程滿足8度抗震要求的6層房屋采用小砌塊和多孔磚兩種砌體墻體厚度的比較見表2。小砌塊房屋4層～6層內(nèi)墻厚度190 mm，單位面積重量2.924 6 kN/m2，外墻厚280 mm；3層通長縱墻厚度1 060 mm，其他縱墻厚280 mm。燒結(jié)多孔磚房屋4層～6層內(nèi)墻厚度240 mm，單位面積重量3.225 7 kN/m2，外墻厚370 mm；3層通長縱墻厚度980 mm，其他縱墻厚240 mm。

可以看到在3層墻體的計算截面上，小砌塊房屋的重量小于多孔磚房屋的重量，且地震作用與房屋的重量成正比，因此得出小砌塊房屋的地震作用要小于多孔磚房屋的地震作用，但小砌塊房屋需要的抗震墻截面面積要大于多孔磚房屋需要的抗震墻截面面積，所以工程結(jié)構(gòu)計算結(jié)果證明了小砌塊墻體的抗剪能力比燒結(jié)多孔磚墻體的抗剪能力要低這一客觀事實。這與用比強度概念分析得出的結(jié)論是一致的。

表2 6層房屋兩種砌體墻體厚度的比較 mm

3.3.2小砌塊構(gòu)造措施

8度抗震區(qū)是抗震的高烈度區(qū)，滿足抗震要求的6層小砌塊房屋的北外墻1層～3層厚度390 mm，1層～3層通長內(nèi)縱墻厚390 mm。平面內(nèi)出現(xiàn)了墻厚390 mm與墻厚280 mm、墻厚390 mm與墻厚190 mm、墻厚390 mm與墻厚390 mm的交接節(jié)點，豎向出現(xiàn)了墻厚390 mm與墻厚280 mm、墻厚390 mm與墻厚190 mm的交接節(jié)點，均需要做好小砌塊的配型及相應(yīng)構(gòu)造措施處理。

3.3.3小砌塊空心率范圍的確定

砌體規(guī)范2.1.8條要求混凝土小型空心砌塊的空心率為25%～50%。砌體規(guī)范3.2.2條混凝土磚砌體(可視為與空心率為零的小砌塊砌體相當(dāng))抗剪強度設(shè)計值為0.17 MPa，小砌塊砌體的為0.09 MPa，相當(dāng)于小砌塊空心率為47%。由此得出小砌塊空心率范圍在38.9%～47%，是不利于房屋抗震驗算結(jié)果；因為在這一范圍相當(dāng)于一部分小砌塊砌體的抗剪承載力不被計算，而地震作用照算不誤。在保證砌體材料抗剪能力充分使用的前提下，結(jié)構(gòu)設(shè)計只能選擇小砌塊空心率47%～50%。

4 結(jié)語

通過砌體材料的對比分析、對一幢8度地震區(qū)6層混凝土小型空心砌塊房屋的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究和規(guī)范條文的邏輯分析，得出：

1)8度地震區(qū)6層混凝土小型空心砌塊房屋經(jīng)過精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計后是可以實現(xiàn)的，同時要滿足規(guī)范抗震措施要求，并做好小型空心砌塊的配型及相應(yīng)構(gòu)造措施處理。

2)用比強度的概念來衡量，混凝土小型空心砌塊墻體的抗剪能力比多孔磚墻體的抗剪能力要降低很多，不到燒結(jié)多孔磚砌體的抗剪能力的1/2。

3)為充分發(fā)揮小砌塊砌體的抗剪能力，砌體房屋抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計宜選用空心率為47%～50%的混凝土小型空心砌塊。

[1] GB 50003—2011,砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 05J102—1,混凝土小型空心砌塊墻體建筑構(gòu)造[Z].

[4] 周炳章,鄭 偉,關(guān)啟勛,等.小型混凝土空心砌塊六層模型房屋抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2000,21(4):2-12.

[5] 何 偉，張?zhí)?多孔磚砌體房屋抗震性能的理論分析及工程實踐[J].建筑結(jié)構(gòu),2015,45(17):73-77.

[6] 傅昆巖，董宏志.DP3型多孔磚居住建筑結(jié)構(gòu)的研究[J].建筑技術(shù)開發(fā),1994(6):7-9.

[7] 苗啟松,何西令,周炳章,等.小型混凝土空心砌塊九層模型房屋抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2000,21(4):13-21.