板柱－抗震墙结构设计浅论

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板柱－抗震墙结构设计浅论

近年来，板柱结构体系是在我国发展较为迅速的一项建筑结构体系。因其结构构件自身高度较小，因此，其具有便于设备管道布置安装，可有效地减少层高，降低建筑造价等优点。并且，因其层高较低，采用板柱结构体系的建筑物的地震效应也要明显小于层高较大的梁板结构体系的建筑物。在施工方面，采用板柱结构结构体系的建筑物具有施工支模简单、楼面钢筋绑扎方便，设备安装方便等优点，从而大大提高了施工速度。因此，采用板柱结构结构具有明显的经济效益和社会效益。 

但是，和传统的梁板柱结构体系比较，板柱结构体系的抗震性能较差，主要是其板－柱节点的抗震性能不如梁－柱节点。因地震作用产生的不平衡弯矩主要有板向柱传递，在柱周边将产生较大的剪应力，而板的截面高度较低，其抗剪能力不如梁节点，在地震力较大时更易发生破坏。

因此，在我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010)中并没有单纯的板柱结构体系，而是要求采用板柱、框架和抗震墙共同组成抗侧力体系，即板柱－抗震墙体系。

下面，对板柱－抗震墙结构体系的设计进行简单的介绍。

一. 结构布置

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010)中规定，板柱－抗震墙结构的最大适用高度在设防烈度为6度、7度、8度地区分别为80m、70m、55m，较2001版规范有较大提高。

板柱－抗震墙结构体系中需要布置足够多的抗震墙，使抗震墙成为主要的抗侧力构件，并能够承担结构全部的地震作用，各层的板柱框架柱子部分除满足垂直荷载计算要求外，尚应能承担不少于各层相应方向全部地震作用的20％。这就是说，在板柱－抗震墙结构中，全部的地震力应首先由抗震墙承担。

《全国民用建筑工程设计技术措施》中对板柱－抗震墙结构的平面布置有如下要求：

1 结构布置宜均匀、对称，刚度中心与质量中心宜重合。 

2 板柱结构每方向单列柱数不得少于 3 根。 

3 抗震设计时，必须采用板柱-抗震墙结构。结构两主轴方向均应布置抗震墙，成双向抗侧力体系。 

4 为减小边跨跨中弯矩和柱的不平衡弯矩，可将沿周边的楼板伸出边柱外侧，伸出长度（从板边缘至外柱中心）不宜超过板沿伸出方向跨度的 0.4 倍；当楼板不伸出边柱外侧时，在板的周边应设边梁，边梁截面高度不应小于板厚的 2.5 倍，边梁应按与半个柱上板带共同承受弯矩、剪力和扭矩进行设计，并满足各最小配筋率的要求。 

5 抗震设计时，房屋的周边应采用有梁框架，有楼梯、电梯间等较大开洞时，洞口周围宜设置框架梁或边梁。

房屋的顶层及地下一层顶板宜采用梁板结构。

在布置抗震墙时，应注意剪力墙宜均匀布置在建筑物的周边附近、楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位，以使结构扭转可控。剪力墙布置时尽量避免单片墙、短肢墙，难以避免时，应设置端柱。

柱距的取值，可参考以下原则：采用平板时，跨度不宜大于 7m，有柱帽时跨度不宜大于 9m。

楼板可采用空心楼板，这是近几年国内推广的新技术，它利用薄壁管材作为内膜，放置在混凝土板中间，能够明显节约混凝土用量，大大减轻结构自重，增大结构剪重比，对结构明显有利，且自重减小对降低工程造价也是有利的。

二. 建模及结构分析

结构分析可采用两种办法将无梁楼板输入模型，一是等代框架法，二是弹性板法。等代框架法即是将柱间楼板按照宽扁梁输入模型，其梁高等于板厚，梁宽一般取柱宽或柱宽两边分别扩出1.5倍板厚的宽度输入模型。此种方法计算结构位移和周期都是有用的，不过有一点要注意，柱子刚度不准确。

PKPM2008版中推荐采用弹性板法，此种方法不需要输入宽扁梁，仅需在柱间布置100x100的虚梁即可。计算时将楼板定义为弹性板6，弹性板6是一种能真实计算楼板平面内和平面外的刚度的楼板假定。必须注意的是，由于定义了弹性楼板，在进行三维分析计算时我们必须选择总刚算法进行计算。 

下面是某工程分别采用两种办法分析的结果：

等代框架法

弹性板法

周期

T1

2.2893

2.0235

T2

2.0470

1.8301

T3

1.6582

1.5333

扭转周期比

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）

以上对比可以看出，采用弹性楼板假定分析的结构刚度大于采用等代框架的刚度，这是由于等代框架法仅分析框架梁的刚度加上梁外楼板刚性假定的刚度进行的计算；而弹性板法是将整层楼板进行真实刚度计算的。

我认为，采用弹性板法的计算结果更接近于真实。但在计算机计算分析过程中，采用弹性楼板法的分析时间远远长于采用等代框架法的计算时间。

最后，必须指出的是：对于现代高层建筑中比较常见的厚板转换层的计算也可象无梁楼盖结构一样进行类似的处理计算。但是如果要在SATWE软件中计算厚板转换层时，在使用PMCAD进行人机交互式输入时必须注意：除了要象无梁楼盖结构一样要输入虚梁以外，层高的输入有所改变。应将厚板的板厚均分给与其相邻两层的层高。即取与厚板相邻的两层层高分别为其净空加上厚板的一半板厚：如第i 层有厚度为Bt的厚板，在PMCAD交互式输入中，则第i层的板厚输入值为Bt，层高为Hi+Bt/2，第i+1层的层高为Hi+1+Bt/2。

三. 无梁楼板计算

    对于楼板的计算，过去常采用的方法是等代框架梁法和经验系数法。PKPM2008版中的“复杂楼板有限元计算”SLABCAD模块能够读取采用弹性板算法计算的SATWE内力计算结果，结果更为准确，因此现在仅讨论此方法。

整体分析计算完成后，我们可以利用PKPM软件中的“复杂楼板有限元计算”SLABCAD模块进行楼板的分析计算。

首先点取“生成楼板有限元分析数据”菜单来生成有关的计算数据，并将相应的计算条件及计算参数进行定义。如果是预应力楼板的话还应将预应力参数选取。当然，此时必须注意的是：由于有限元的计算原理所致，对于楼板的有限元划分长度不一样可能会对计算结果产生一定的影响。 同时我们还可补充输入无梁楼盖的其它数据，如楼板的洞口及柱帽等特殊构件。并可对楼板不同部位的板厚进修改，同时，我们还可以在楼板上添加任意的荷载，包括在PMCAD建模时无法输入的板上的任意线荷载及点荷载。

此外，我们还可以输入支座沉降及约束等补充数据。SLABCAD的补充数据输入完毕后我们就可以通过“有限元分析和计算”菜单对无梁楼盖进性设计计算了。对无梁楼盖的计算内容主要包括楼板的内力、位移、配筋计算及板的冲切验算等。计算完毕后再通过“分析结果图形显示”菜单查询其计算结果。     

四. 构造

无梁楼板的构造主要就是暗梁，板柱节点构造，板面抗裂构造。暗梁注意暗梁宽度和钢筋面积大小，箍筋刚度和密度，要在施工过程中经得起工人的踩压而不变形，这个靠经验，板比较厚（250以上）的情况，建议用10，或12的钢筋做箍筋，做稀一点也可以。柱头处注意钢筋截断的长度，尤其是有托板的情况下要重视。 另外一个重要的构造就是板筋的搭接问题，对于无梁板什么地方受拉什么受压要清楚，搭接要符合规范，必要时候要在施工图中说明！板面通筋很重要，有人分析尽量不要大于200的间距，尤其是长度比较大的和温差有明显的位置，要考虑板面贯通钢筋的配置。

抗冲切验算在板柱结构中是很重要的，通常有如下处理方式：

1.建筑功能许可的情况下，可采用加设柱帽的方式加强板柱交接处的抗重切能力，这样，可以有效的减小板厚，从而达到减小板钢筋用量，节约工程造价的目的。

2.利用暗梁中的抗剪箍筋抵抗冲切，但国外有研究指出，暗梁箍筋抗剪效果并不理想，试验证明，合理设置抗剪栓钉的效果优于箍筋。

3.设置型钢剪力架抗冲切。

    五. 结语

    板柱－抗震墙结构非常适用于多层和高层的办公楼、综合楼等建筑类型。在有建筑总高度限制的地区具有明显的经济效益。

    设计人员在设计的过程中必须能从把握整体结构、分析薄弱环节到细致分析，合理采取措施，保证结构的安全性和提高经济性。

以上是本人对板柱－抗震墙结构设计的一些总结和浅见。

                                                     贾志鹏

                                                     2011年