中高層大開間配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程應(yīng)用

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1   前言 大開間住宅可以最大限度地體現(xiàn)以人為本的設(shè)計理念，為住戶提供二次裝修的充分空間。避免住戶二次裝修時隨意地鑿墻開洞，造成結(jié)構(gòu)安全的隱患。大開間在建筑設(shè)計上要合理布置廚房、衛(wèi)生間這些固定的部位，其它的由住戶進住后進行二次裝修分隔。隨著生活水平的提高，人們對建筑的要求也越來越高，希望建筑結(jié)構(gòu)體系能夠做到大空間，使住戶能以自己的需求來改變建筑布局。配筋砌塊砌體強度較高，現(xiàn)澆空心板截面剛度大，二者的結(jié)合可以設(shè)計成較大開間。試點工程“星宇名家”9#、10#樓位于長春市開運街星宇名家小區(qū)內(nèi)，設(shè)計了12層大開間結(jié)構(gòu)，并通過軟件計算與分析，研究配筋砌塊砌體在大開間中、高層結(jié)構(gòu)中的設(shè)計方法與構(gòu)造措施，旨在推出節(jié)能、安全、經(jīng)濟、適用的新型結(jié)構(gòu)體系。 2   采用大跨雙向現(xiàn)澆空心板實現(xiàn)大開間剪力墻結(jié)構(gòu)體系 2.1 現(xiàn)澆空心板的結(jié)構(gòu)性能滿足大開間結(jié)構(gòu)需要 大開間結(jié)構(gòu)體系的樓板必須具有足夠的剛度，才能將地震作用傳遞到墻體，并滿足房屋整體性的要求?，F(xiàn)澆實心大跨板必然板厚大，進而自重大，跨中撓度很難控制?，F(xiàn)澆空心板截面中空、剛度大，其優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)在工程實踐中得到驗證。經(jīng)過科研成果的試驗驗證，現(xiàn)澆空心板面上施加局部等效荷載的數(shù)值不大于2KN/m²時，只要計入板面承受的設(shè)計恒載，不需要采取任何樓板的加強措施，這為大開間靈活分隔提供了可能。 2.2 存在的問題與解決辦法 由于大開間結(jié)構(gòu)體系的樓板跨度較大，樓板厚度增大，隨之層高也要增大，這是開發(fā)商和住戶都很關(guān)心的問題。經(jīng)過各類戶型的設(shè)計分析，現(xiàn)澆空心板最大厚為350mm，層高為3050mm，僅比磚混結(jié)構(gòu)住宅層高多250mm，實際增加的高度是現(xiàn)澆空心板中的空心的高度，而且板端直接做梁，不必另設(shè)圈梁，其它材料量均不增加，綜合其它方面的優(yōu)勢，經(jīng)濟效益還是明顯的。 隨著大開間房屋使用面積比例的增大，橫墻的抗震性能變得越來越重要，其抗震受剪承載力的富余度越來越小，甚至與縱墻相差不遠，也成為控制因素。所以在設(shè)計方案階段，更要與建筑專業(yè)緊密配合，合理確定縱橫墻的數(shù)量，合理選擇門窗位置和尺寸大小，減小后期的結(jié)構(gòu)計算工作量。 3 結(jié)構(gòu)軟件計算與分析結(jié)果 3.1結(jié)構(gòu)基本特征參數(shù)  由于配筋砌塊砌體作為一種近年發(fā)展起來的新型結(jié)構(gòu)體系，其內(nèi)力計算有其特殊規(guī)律，因此到目前為止，還沒有一種專門針對配筋砌塊砌體的特性而開發(fā)的實用設(shè)計計算程序，給推廣應(yīng)用配筋砌塊砌體帶來很大的困難。因此根據(jù)研究內(nèi)容及其成果，課題組分別考察了用于高層結(jié)構(gòu)體系空間有限元分析與設(shè)計程序SATWE和配筋砌塊砌體應(yīng)用設(shè)計程序QIK，認為在這兩個程序的基本功能基礎(chǔ)上擴展到本課題的研究內(nèi)容，最后形成一套專用程序。本課題的試點工程就是使用這套專用程序進行內(nèi)力分析，結(jié)構(gòu)變形，截面配筋計算，直到形成結(jié)構(gòu)設(shè)計施工圖。  按照設(shè)計要求與《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，長春地區(qū)按7度抗震設(shè)防，Ⅱ場地，地震分組為第一組，丙類抗震建筑，場地特征周期為0.35S， 試點工程建筑抗震等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，修正后的基本風(fēng)壓0.65，地面粗糙性系數(shù)為C類，采用26種工況內(nèi)力組合，確定控制內(nèi)力及不利配筋。 針對試點工程，為了校核專用程序的可靠性，項目組采用三個不同版本程序進行結(jié)構(gòu)設(shè)計比較，分析比較結(jié)構(gòu)基本特征參數(shù)；結(jié)構(gòu)自振周期；基底剪力；樓層位移角；按側(cè)剛模型計算時的結(jié)構(gòu)振型，計算結(jié)果見表1～表3。 表1結(jié)構(gòu)自震周期

計算軟件

    周期（s） SATWE-2005.09 SATWE-本工程 配筋砌體專用程序 PMSAP-2005.09 T1 T2 T3 0.6056 0.5621 0.4242 0.6537 0.6146 0.4616 0.6754 0.5733 0.4452

 

                表2結(jié)構(gòu)地震作用下最大樓層位移角（F層號）  

      計算軟件

  SATWE-2005.09 SATWE-本工程 配筋砌體專用程序 PMSAP-2005.09   層間位移角 X向 1/4434（6F） 1/3908（6F） 1/4124（6F） Y向 1/5309（6F） 1/4708（6F） 1/5194（6F）

 

              表3結(jié)構(gòu)基底剪力、傾覆力矩值  

      計算軟件

  SATWE-2005.09 SATWE-本工程 配筋砌體專用程序 PMSAP-2005.09   基底剪力 X向 Qx Qx/Ge Qx Qx/Ge Qx Qx/Ge 3013.18 3.10% 2890.72 2.97% 3044.8 3.14% Y向 Qy Qy/Ge Qy Qy/Ge Qy Qy/Ge 3728.86 3.83% 3378.96 3.47% 3697.1 3.82% My(KN-m) 94249.84 84258.52 93025.1 Mx(KN-m) 74062.89 70900.27 74637.0

 

                                      3.2結(jié)構(gòu)分析結(jié)論 （1） 經(jīng)多種程序?qū)Ρ确治?，結(jié)構(gòu)層間位移及頂點位移均可滿足砌體規(guī)范不大于1/1000的要求。 （2） 經(jīng)多種程序的對比分析結(jié)果中的結(jié)構(gòu)自振周期，結(jié)構(gòu)基底剪力，傾復(fù)力矩基本接近。 （3） 數(shù)據(jù)顯示，該結(jié)構(gòu)兩向地震反應(yīng)接近，并且豎向剛度及樓層承載力變化均勻，有利于建筑物 抗震。 4 結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用研究結(jié)論 4.1 結(jié)構(gòu)計算與分析方法  采用計算機輔助設(shè)計應(yīng)用軟件QIK可以實現(xiàn)對配筋砌塊砌體各種體系的結(jié)構(gòu)布置、排塊設(shè)計、荷載輸入，形成三維空間有限元計算模型，通過SATWE軟件進行體系分析與計算，再用QIK軟件繪制施工圖，這一計算機輔助設(shè)計應(yīng)用過程非常流暢。為了對比計算結(jié)果，同時采用三種不同軟件進行同一結(jié)構(gòu)計算，結(jié)果表明關(guān)鍵計算參數(shù)數(shù)值相近，反映出配筋砌塊砌體各種體系的力學(xué)性能接近鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系。 4.2 結(jié)構(gòu)形式與布置 配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)由混凝土空心砌塊砌筑成墻體，在豎向的空心孔洞中及水平凹槽中配以縱、橫向鋼筋并澆灌芯柱混凝土。最后構(gòu)成的墻體，實際上可視為裝配整體式鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)?！镀鲶w結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50003-2001增加了配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、計算公式、構(gòu)造要求，適應(yīng)了城市建設(shè)和墻體改革的需要，本項目的試點工程設(shè)計既以此為準。從課題組的大量調(diào)研中了解到，全國各地建造的9---18層砌塊居住建筑，絕大多數(shù)采用了該種結(jié)構(gòu)體系。且承重墻體的砌塊強度大多為三層以下Mu20，三層以上Mu15,全灌芯，工程造價相對較高。本課題的試點工程從結(jié)構(gòu)設(shè)計開始，對該體系的結(jié)構(gòu)布置，芯柱布置，砌塊強度等級以及構(gòu)造等方面均采取了相應(yīng)必要措施，在確保滿足《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50003-2001對結(jié)構(gòu)安全要求的前提下，盡量降低工程造價。  試點工程上部結(jié)構(gòu)共12層，層高均為3.05m，承重墻體均采用190mm厚配筋砌塊砌體，每樓層砌體沿高度方向共砌筑13皮砌塊，高2.6m。在每個樓層相同標高處,沿190mm厚各道墻體設(shè)置了封閉圈梁（梁高450mm），使其在無洞口處為墻梁，在洞口處為連梁，配合現(xiàn)澆鋼筋混凝土實心樓板，對房屋的整體性起了很好的作用。 4.3 材料強度與灌芯率控制 砌塊強度等級、砌筑砂漿強度等級、灌芯混凝土強度等級的確定原則，結(jié)合目前長春市砌塊生產(chǎn)發(fā)展水平，在滿足配筋砌體受力要求的前提下，適當(dāng)降低砌塊的強度等級，以提高砌塊的使用率，降低生產(chǎn)成本，墻體材料強度指標沿豎向樓層分布詳見表4。 灌芯率的控制原則，按照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的構(gòu)造要求，二層以下采用全灌芯，三層以上按標準層的分布采用兩種不同的灌芯率，66%與33%。為使灌芯孔內(nèi)豎向插筋能通長布置，沒有采用50%的灌芯率。                        表4墻體材料沿豎向樓層分布 范    圍 砌塊強度等級 灌芯混凝土強度等級 砂漿強度等級 砌塊灌孔率 1～2層 Mu15 C30 M15 100% 3層 Mu15 C30 M15 66% 4～5層 Mu10 C25 M10 66% 6～10層 Mu10 C25 M10 33% 11～12層 Mu10 C20 M10 66%   4.4結(jié)構(gòu)體系適應(yīng)性 根據(jù)以上研究結(jié)論，從量大面廣的多層居住建筑開始，配筋砌塊砌體替代粘土實心磚的首選結(jié)構(gòu)體系應(yīng)該是現(xiàn)澆空心板大開間剪力墻結(jié)構(gòu)，而且可擴展到多層公用建筑。進一步向中、高層（10～18層）居住建筑發(fā)展，由于配筋砌塊砌體剪力墻不僅施工省模板、結(jié)構(gòu)受力可靠，而且可大幅度降低墻體用鋼量，節(jié)約工程造價，因此替代混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)勢在必行。配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)用，從各方面技術(shù)已經(jīng)成熟，從芯柱布置、受力鋼筋布置、灌芯混凝土的性能等方面進一步加以改善，大面積、全方位推廣應(yīng)用指日可待。   參考文獻： [1] 施楚賢.砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003. [2] 姜洪斌，唐岱新. 配筋混凝土砌塊砌體高層結(jié)構(gòu)抗震性能研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文，2000. [3] 苑振芳. 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006. [4] 楊松，李爽. 混凝土小型空心砌塊大開間住宅設(shè)計及技術(shù)經(jīng)濟分析，高層配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵技術(shù)研究報告之六，2001.