板柱－抗震墻結構設計淺論

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板柱－抗震墻結構設計淺論

近年來，板柱結構體系是在我國發(fā)展較為迅速的一項建筑結構體系。因其結構構件自身高度較小，因此，其具有便于設備管道布置安裝，可有效地減少層高，降低建筑造價等優(yōu)點。并且，因其層高較低，采用板柱結構體系的建筑物的地震效應也要明顯小于層高較大的梁板結構體系的建筑物。在施工方面，采用板柱結構結構體系的建筑物具有施工支模簡單、樓面鋼筋綁扎方便，設備安裝方便等優(yōu)點，從而大大提高了施工速度。因此，采用板柱結構結構具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 

但是，和傳統(tǒng)的梁板柱結構體系比較，板柱結構體系的抗震性能較差，主要是其板－柱節(jié)點的抗震性能不如梁－柱節(jié)點。因地震作用產生的不平衡彎矩主要有板向柱傳遞，在柱周邊將產生較大的剪應力，而板的截面高度較低，其抗剪能力不如梁節(jié)點，在地震力較大時更易發(fā)生破壞。

因此，在我國《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010)中并沒有單純的板柱結構體系，而是要求采用板柱、框架和抗震墻共同組成抗側力體系，即板柱－抗震墻體系。

下面，對板柱－抗震墻結構體系的設計進行簡單的介紹。

一. 結構布置

《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010)中規(guī)定，板柱－抗震墻結構的最大適用高度在設防烈度為6度、7度、8度地區(qū)分別為80m、70m、55m，較2001版規(guī)范有較大提高。

板柱－抗震墻結構體系中需要布置足夠多的抗震墻，使抗震墻成為主要的抗側力構件，并能夠承擔結構全部的地震作用，各層的板柱框架柱子部分除滿足垂直荷載計算要求外，尚應能承擔不少于各層相應方向全部地震作用的20％。這就是說，在板柱－抗震墻結構中，全部的地震力應首先由抗震墻承擔。

《全國民用建筑工程設計技術措施》中對板柱－抗震墻結構的平面布置有如下要求：

1 結構布置宜均勻、對稱，剛度中心與質量中心宜重合。 

2 板柱結構每方向單列柱數(shù)不得少于 3 根。 

3 抗震設計時，必須采用板柱-抗震墻結構。結構兩主軸方向均應布置抗震墻，成雙向抗側力體系。 

4 為減小邊跨跨中彎矩和柱的不平衡彎矩，可將沿周邊的樓板伸出邊柱外側，伸出長度（從板邊緣至外柱中心）不宜超過板沿伸出方向跨度的 0.4 倍；當樓板不伸出邊柱外側時，在板的周邊應設邊梁，邊梁截面高度不應小于板厚的 2.5 倍，邊梁應按與半個柱上板帶共同承受彎矩、剪力和扭矩進行設計，并滿足各最小配筋率的要求。 

5 抗震設計時，房屋的周邊應采用有梁框架，有樓梯、電梯間等較大開洞時，洞口周圍宜設置框架梁或邊梁。

房屋的頂層及地下一層頂板宜采用梁板結構。

在布置抗震墻時，應注意剪力墻宜均勻布置在建筑物的周邊附近、樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位，以使結構扭轉可控。剪力墻布置時盡量避免單片墻、短肢墻，難以避免時，應設置端柱。

柱距的取值，可參考以下原則：采用平板時，跨度不宜大于 7m，有柱帽時跨度不宜大于 9m。

樓板可采用空心樓板，這是近幾年國內推廣的新技術，它利用薄壁管材作為內膜，放置在混凝土板中間，能夠明顯節(jié)約混凝土用量，大大減輕結構自重，增大結構剪重比，對結構明顯有利，且自重減小對降低工程造價也是有利的。

二. 建模及結構分析

結構分析可采用兩種辦法將無梁樓板輸入模型，一是等代框架法，二是彈性板法。等代框架法即是將柱間樓板按照寬扁梁輸入模型，其梁高等于板厚，梁寬一般取柱寬或柱寬兩邊分別擴出1.5倍板厚的寬度輸入模型。此種方法計算結構位移和周期都是有用的，不過有一點要注意，柱子剛度不準確。

PKPM2008版中推薦采用彈性板法，此種方法不需要輸入寬扁梁，僅需在柱間布置100x100的虛梁即可。計算時將樓板定義為彈性板6，彈性板6是一種能真實計算樓板平面內和平面外的剛度的樓板假定。必須注意的是，由于定義了彈性樓板，在進行三維分析計算時我們必須選擇總剛算法進行計算。 

下面是某工程分別采用兩種辦法分析的結果：

等代框架法

彈性板法

周期

T1

2.2893

2.0235

T2

2.0470

1.8301

T3

1.6582

1.5333

扭轉周期比

0.72

0.76

最大位移

1/1253（X向）

1/1515（Y向）

1/1586（X向）

1/1877（Y向）

最大位移比

1.08（X向）

1.09（Y向）

1.10（X向）

1.12（Y向）

以上對比可以看出，采用彈性樓板假定分析的結構剛度大于采用等代框架的剛度，這是由于等代框架法僅分析框架梁的剛度加上梁外樓板剛性假定的剛度進行的計算；而彈性板法是將整層樓板進行真實剛度計算的。

我認為，采用彈性板法的計算結果更接近于真實。但在計算機計算分析過程中，采用彈性樓板法的分析時間遠遠長于采用等代框架法的計算時間。

最后，必須指出的是：對于現(xiàn)代高層建筑中比較常見的厚板轉換層的計算也可象無梁樓蓋結構一樣進行類似的處理計算。但是如果要在SATWE軟件中計算厚板轉換層時，在使用PMCAD進行人機交互式輸入時必須注意：除了要象無梁樓蓋結構一樣要輸入虛梁以外，層高的輸入有所改變。應將厚板的板厚均分給與其相鄰兩層的層高。即取與厚板相鄰的兩層層高分別為其凈空加上厚板的一半板厚：如第i 層有厚度為Bt的厚板，在PMCAD交互式輸入中，則第i層的板厚輸入值為Bt，層高為Hi+Bt/2，第i+1層的層高為Hi+1+Bt/2。

三. 無梁樓板計算

    對于樓板的計算，過去常采用的方法是等代框架梁法和經(jīng)驗系數(shù)法。PKPM2008版中的“復雜樓板有限元計算”SLABCAD模塊能夠讀取采用彈性板算法計算的SATWE內力計算結果，結果更為準確，因此現(xiàn)在僅討論此方法。

整體分析計算完成后，我們可以利用PKPM軟件中的“復雜樓板有限元計算”SLABCAD模塊進行樓板的分析計算。

首先點取“生成樓板有限元分析數(shù)據(jù)”菜單來生成有關的計算數(shù)據(jù)，并將相應的計算條件及計算參數(shù)進行定義。如果是預應力樓板的話還應將預應力參數(shù)選取。當然，此時必須注意的是：由于有限元的計算原理所致，對于樓板的有限元劃分長度不一樣可能會對計算結果產生一定的影響。 同時我們還可補充輸入無梁樓蓋的其它數(shù)據(jù)，如樓板的洞口及柱帽等特殊構件。并可對樓板不同部位的板厚進修改，同時，我們還可以在樓板上添加任意的荷載，包括在PMCAD建模時無法輸入的板上的任意線荷載及點荷載。

此外，我們還可以輸入支座沉降及約束等補充數(shù)據(jù)。SLABCAD的補充數(shù)據(jù)輸入完畢后我們就可以通過“有限元分析和計算”菜單對無梁樓蓋進性設計計算了。對無梁樓蓋的計算內容主要包括樓板的內力、位移、配筋計算及板的沖切驗算等。計算完畢后再通過“分析結果圖形顯示”菜單查詢其計算結果。     

四. 構造

無梁樓板的構造主要就是暗梁，板柱節(jié)點構造，板面抗裂構造。暗梁注意暗梁寬度和鋼筋面積大小，箍筋剛度和密度，要在施工過程中經(jīng)得起工人的踩壓而不變形，這個靠經(jīng)驗，板比較厚（250以上）的情況，建議用10，或12的鋼筋做箍筋，做稀一點也可以。柱頭處注意鋼筋截斷的長度，尤其是有托板的情況下要重視。 另外一個重要的構造就是板筋的搭接問題，對于無梁板什么地方受拉什么受壓要清楚，搭接要符合規(guī)范，必要時候要在施工圖中說明！板面通筋很重要，有人分析盡量不要大于200的間距，尤其是長度比較大的和溫差有明顯的位置，要考慮板面貫通鋼筋的配置。

抗沖切驗算在板柱結構中是很重要的，通常有如下處理方式：

1.建筑功能許可的情況下，可采用加設柱帽的方式加強板柱交接處的抗重切能力，這樣，可以有效的減小板厚，從而達到減小板鋼筋用量，節(jié)約工程造價的目的。

2.利用暗梁中的抗剪箍筋抵抗沖切，但國外有研究指出，暗梁箍筋抗剪效果并不理想，試驗證明，合理設置抗剪栓釘?shù)男Ч麅?yōu)于箍筋。

3.設置型鋼剪力架抗沖切。

    五. 結語

    板柱－抗震墻結構非常適用于多層和高層的辦公樓、綜合樓等建筑類型。在有建筑總高度限制的地區(qū)具有明顯的經(jīng)濟效益。

    設計人員在設計的過程中必須能從把握整體結構、分析薄弱環(huán)節(jié)到細致分析，合理采取措施，保證結構的安全性和提高經(jīng)濟性。

以上是本人對板柱－抗震墻結構設計的一些總結和淺見。

                                                     賈志鵬

                                                     2011年