超長平面砌體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問題及對策探討★

馬 超 劉兵星

(1.商丘師范學(xué)院，河南 商丘 476000； 2.廣饒中南房地產(chǎn)有限公司，山東 東營 257300)

砌體結(jié)構(gòu)是由塊體和砂漿砌筑而成的墻、柱作為建筑物的主要受力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，是磚砌體、砌塊砌體和石砌體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱。砌體結(jié)構(gòu)是我國建筑應(yīng)用歷史悠久的一種結(jié)構(gòu)形式。砌體結(jié)構(gòu)所用的材料來源廣泛、造價低廉、便于就地取材。因此，砌體結(jié)構(gòu)以其造價低、施工方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于多層建筑結(jié)構(gòu)。砌體結(jié)構(gòu)單體建筑在設(shè)計時需要結(jié)合具體的建筑設(shè)計施工圖進行。根據(jù)建筑使用功能上的要求合理選擇砌體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系和承重方案，恰當進行結(jié)構(gòu)平面和豎向布置。此外，還需要根據(jù)當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度，適當確定砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震構(gòu)造措施。結(jié)合具體建筑工程實例，闡述多層砌體結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計的問題和對策。

1 工程概況

工程項目為商丘師范學(xué)院12號公寓樓，項目建設(shè)地點位于商丘市梁園區(qū)商丘師范學(xué)院新校區(qū)院內(nèi)?？偨ㄖ娣e13 510.43 m2，基底面積2 252 m2。建筑平面總長度達到120 m。根據(jù)建筑施工圖設(shè)計顯示，該建筑一共6層，上部有局部突出的樓梯間和水箱間。建筑總高度21.5 m。1層層高3.6 m，2層～6層層高3.4 m。該建筑平面長度120 m，寬度19 m。建筑分類為多層公共建筑，四類多層宿舍樓。主體結(jié)構(gòu)使用年限為50年；設(shè)計抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類?？拐鹪O(shè)防類別為丙類標準設(shè)防類。

2 結(jié)構(gòu)選型

在做單體結(jié)構(gòu)設(shè)計前需要詳細了解該建筑單體的具體建筑設(shè)計方案和詳細的建筑施工圖設(shè)計。建筑設(shè)計方案根據(jù)建筑使用功能的需要，確定各個空間的大小尺寸。同時對建筑內(nèi)部使用空間進行平面組合以及空間在豎直方向上的疊加。為了營造可滿足人們使用的內(nèi)部空間，建筑物上要承受各種荷載和自然作用。包括：建筑自重、使用過程中的荷載、風(fēng)雨雪等荷載以及地震作用。在建筑物中，建筑結(jié)構(gòu)是用來承受荷載、抵抗變形的骨架。通過結(jié)構(gòu)選型進行選擇安全可靠經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)形式。建筑結(jié)構(gòu)選型既是建筑藝術(shù)與工程技術(shù)的綜合，又是建筑、結(jié)構(gòu)、施工、設(shè)備、預(yù)算等各個專業(yè)工種的配合。結(jié)構(gòu)形式關(guān)系到建筑物是否安全、適用、經(jīng)濟、美觀。結(jié)構(gòu)選型要遵循幾點原則：1)適應(yīng)建筑功能的要求，結(jié)構(gòu)是建筑功能設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)支撐。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案要支持建筑功能，盡量減少結(jié)構(gòu)設(shè)計對建筑功能的限制和影響。2)滿足建筑造型的需要，建筑物不是孤立的存在，其要與周圍環(huán)境條件相協(xié)調(diào)。結(jié)構(gòu)選型階段要考慮和滿足建筑造型的需要。對于建筑平面和立面不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)選型，要按實際需要在適當部位設(shè)置變形縫，形成較多規(guī)則的結(jié)構(gòu)單元。3)充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)自身的優(yōu)勢，每種結(jié)構(gòu)體系都有自身的特點和不足，有其各自的適用范圍，所以要結(jié)合建筑設(shè)計的具體情況進行結(jié)構(gòu)選型。4)考慮材料和施工的條件，由于材料和施工技術(shù)的不同，其結(jié)構(gòu)形式也不同。5)盡可能降低造價，當幾種結(jié)構(gòu)形式都有可能滿足建筑設(shè)計條件時，經(jīng)濟條件就是決定因素，盡量采用能降低工程造價的結(jié)構(gòu)形式。

對于多層住宅建筑，常用的結(jié)構(gòu)形式有砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)建筑施工圖在進行結(jié)構(gòu)選型時，對兩種結(jié)構(gòu)形式進行分析比較。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)適用于多高層建筑，平面布置靈活。但是施工周期長、施工過程中濕作業(yè)多，受天氣條件影響大。砌體結(jié)構(gòu)適用于多層建筑，尤其是住宅公寓宿舍等居住建筑，居住建筑一般開間和進深不大，分隔內(nèi)部空間的墻體較多，適合布置砌體結(jié)構(gòu)的承重墻體[1]。另外，砌體結(jié)構(gòu)使用的塊材和砂漿易于就地取材，有利于降低造價，節(jié)約建造成本。根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范，通常情況下，砌體結(jié)構(gòu)房屋的層數(shù)和總高度不應(yīng)超過表1的規(guī)定[2]。

表1 房屋的層數(shù)和總高度限值

該公寓樓結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的抗震設(shè)防烈度為7度，基本地震加速度值為0.10g。依據(jù)建筑抗震規(guī)范對砌體結(jié)構(gòu)高度和層數(shù)限值的要求，采用多孔磚或者普通磚砌筑時，最高的容許高度為21 m，最大容許層數(shù)為7層。而具體到該公寓樓一共6層，建筑總高度21.5 m。結(jié)合建筑使用功能以及建筑總高度和結(jié)構(gòu)使用年限為50年，確定該建筑抗震設(shè)防類別為標準設(shè)防類(丙類)。因此，該公寓樓結(jié)構(gòu)選型可以選用砌體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的建筑布置和結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結(jié)構(gòu)體系，不應(yīng)該采用砌體墻和混凝土墻體混合承重的結(jié)構(gòu)體系。該公寓樓根據(jù)居住功能的需要基本上每個房間進深6.8 m，開間3.5 m。房間開間不大，橫墻布置較多。因此可以確定選擇橫墻承重的砌體結(jié)構(gòu)體系。

3 結(jié)構(gòu)平面布置

建筑使用空間的組合和疊加的同時還要保證各個單獨空間在采光和通風(fēng)上的使用要求。建筑設(shè)計的結(jié)果最終以建筑施工圖的形式進行呈現(xiàn)。建筑施工圖詳細表達了該房屋建筑的總體體型、外觀造型以及各個空間的組合關(guān)系。在建筑施工圖上，外墻墻體用來表示室內(nèi)外空間分隔，內(nèi)墻墻體表示建筑內(nèi)部的各個空間的分隔情況。因此，從建筑施工平面圖上，可以看出各個房間的開間和進深尺寸。根據(jù)建筑平面圖，該公寓樓平面長度達到120 m，寬度19 m。結(jié)構(gòu)選型確定了要采用的結(jié)構(gòu)體系之后，在進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置時，為了防止或減輕房屋在正常使用條件下，由溫差和砌體干縮引起的墻體豎向裂縫，應(yīng)在墻體中設(shè)置伸縮縫。伸縮縫的設(shè)置特點是基礎(chǔ)不用斷開，但是基礎(chǔ)頂面以上到屋面的所有構(gòu)件都要斷開。伸縮縫兩端必要時設(shè)置雙墻雙梁。伸縮縫應(yīng)設(shè)置在因溫度和收縮變形可能引起應(yīng)力集中、砌體產(chǎn)生裂縫可能性最大的地方。伸縮縫的間距要求，對于整體式或裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有保溫層或者隔熱層的屋蓋、樓蓋，伸縮縫間距要求為50 m[3]。同時，為了減輕平面超長建筑結(jié)構(gòu)在地震中的震害，建筑結(jié)構(gòu)平面布置不宜過于狹長。GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范要求[2]，7度抗震設(shè)防時，長寬比不宜大于6.0。平面過于狹長的建筑物在地震時，由于兩端地震波輸入有相位差而容易產(chǎn)生不規(guī)則振動，容易造成較大的震害。如果根據(jù)使用功能上的要求，房屋建筑在平面上布置的過于狹長，可以通過設(shè)置必要的抗震縫，以便把房屋建筑分隔成對抗震有利的規(guī)則結(jié)構(gòu)單體。對于該公寓樓平面長度達到120 m，寬度19 m，不僅僅平面長度大，而且平面長寬比大于6.0。因此，考慮到在正常使用狀況下的溫度影響，需要設(shè)置伸縮縫，同時考慮地震影響，結(jié)構(gòu)中需要設(shè)置抗震縫。為了避免設(shè)縫過多，引起不必要的設(shè)計和施工問題，必要時可以把伸縮縫和抗震縫合二為一，一縫多用，縫寬取兩者中較寬者。為了滿足伸縮縫間距不大于50 m的要求以及平面長寬比不大于6.0的抗震要求，綜合考慮施工的便利，在該建筑中設(shè)置兩道變形縫。防震縫寬度應(yīng)根據(jù)烈度和房屋高度確定，可采用70 mm～100 mm，因此本工程采用縫寬100 mm。在結(jié)構(gòu)平面布置上，通過設(shè)置兩道寬度100 mm的變形縫，將整棟建筑分隔成三個規(guī)則的結(jié)構(gòu)單體。

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

砌體結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件為墻體，墻體在豎直方向的布置宜上下對齊，傳力路徑簡單明確，有利于荷載的傳遞和結(jié)構(gòu)的安全。由于該房屋建筑內(nèi)部開間不大，而進深較大，故內(nèi)部橫墻布置較多，縱墻間距大，而且外縱墻上均開設(shè)有窗洞口，內(nèi)縱墻設(shè)置門洞口。縱墻上開設(shè)較多的洞口不利于承受荷載，主要采用橫墻承重。為減輕結(jié)構(gòu)自重，墻體采用MU15燒結(jié)煤矸石多孔磚、M10混合砂漿砌筑。

根據(jù)砌體結(jié)構(gòu)的總體布置，使用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM系列軟件中的砌體結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計程序進行結(jié)構(gòu)建模計算，繪制板的施工圖，驗算墻體的承載力。房屋建筑中設(shè)置的變形縫把建筑分隔成為三個相對獨立的結(jié)構(gòu)單體。在建模時，三個獨立的單體可以分別進行建模分析計算，也可以建立總的結(jié)構(gòu)模型進行分析計算，但是要保證在變形縫處構(gòu)件不連續(xù)。

5 抗震構(gòu)造措施

建筑結(jié)構(gòu)除了要滿足設(shè)計計算要求之外，還要滿足抗震構(gòu)造要求，以便保證結(jié)構(gòu)在地震中的整體性和延性作用[4]。多層磚砌體房屋，應(yīng)按要求設(shè)置現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)造柱。根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求，層數(shù)為六層抗震設(shè)防烈度為7度的砌體結(jié)構(gòu)建筑，需要設(shè)置構(gòu)造柱的位置包括：樓電梯間四角、樓梯斜梯段上下端對應(yīng)的墻體處、外墻四角和對應(yīng)轉(zhuǎn)角；大房間內(nèi)外墻交接處；較大洞口兩側(cè)；隔開間橫墻與外墻交接處；山墻與內(nèi)縱墻交接處[2]。同時，該公寓樓的層數(shù)和總高度接近于表1中的限值要求，縱橫墻內(nèi)的構(gòu)造柱間距要滿足相應(yīng)的要求。橫墻內(nèi)的構(gòu)造柱間距不宜大于層高的2倍；下部1/3的樓層構(gòu)造柱間距適當減小。因為該公寓樓房間進深為6.8 m，所以需要在橫墻的中部額外設(shè)置一根構(gòu)造柱，以減小橫墻內(nèi)構(gòu)造柱的間距，增強砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能。

多層磚砌體房屋的現(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁設(shè)置應(yīng)按要求設(shè)置。現(xiàn)澆或裝配整體式鋼筋混凝土樓、屋蓋與墻體有可靠連接的房屋，應(yīng)允許不另設(shè)圈梁，但是樓板沿抗震墻體周邊均應(yīng)加強配筋并應(yīng)與相應(yīng)的構(gòu)造柱鋼筋可靠連接。

6 結(jié)語

砌體結(jié)構(gòu)總體上在多層住宅公寓樓建筑房屋中使用較多，而且砌體結(jié)構(gòu)的建造有相當長的歷史。因此，砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計技術(shù)相對成熟。在進行砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，首先從整體概念設(shè)計上進行把握，合理妥當?shù)母拍钤O(shè)計至關(guān)重要，會使設(shè)計工作變得事半功倍。其次，在構(gòu)件的布置設(shè)計計算以及構(gòu)造措施上，要符合相關(guān)規(guī)范的要求，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計成果滿足建筑功能的要求，也符合規(guī)范對結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的要求。