中高层大开间配筋砌块砌体剪力墙结构设计与工程应用

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1   前言 大开间住宅可以最大限度地体现以人为本的设计理念，为住户提供二次装修的充分空间。避免住户二次装修时随意地凿墙开洞，造成结构安全的隐患。大开间在建筑设计上要合理布置厨房、卫生间这些固定的部位，其它的由住户进住后进行二次装修分隔。随着生活水平的提高，人们对建筑的要求也越来越高，希望建筑结构体系能够做到大空间，使住户能以自己的需求来改变建筑布局。配筋砌块砌体强度较高，现浇空心板截面刚度大，二者的结合可以设计成较大开间。试点工程“星宇名家”9#、10#楼位于长春市开运街星宇名家小区内，设计了12层大开间结构，并通过软件计算与分析，研究配筋砌块砌体在大开间中、高层结构中的设计方法与构造措施，旨在推出节能、安全、经济、适用的新型结构体系。 2   采用大跨双向现浇空心板实现大开间剪力墙结构体系 2.1 现浇空心板的结构性能满足大开间结构需要 大开间结构体系的楼板必须具有足够的刚度，才能将地震作用传递到墙体，并满足房屋整体性的要求。现浇实心大跨板必然板厚大，进而自重大，跨中挠度很难控制。现浇空心板截面中空、刚度大，其优良结构性能已经在工程实践中得到验证。经过科研成果的试验验证，现浇空心板面上施加局部等效荷载的数值不大于2KN/m²时，只要计入板面承受的设计恒载，不需要采取任何楼板的加强措施，这为大开间灵活分隔提供了可能。 2.2 存在的问题与解决办法 由于大开间结构体系的楼板跨度较大，楼板厚度增大，随之层高也要增大，这是开发商和住户都很关心的问题。经过各类户型的设计分析，现浇空心板最大厚为350mm，层高为3050mm，仅比砖混结构住宅层高多250mm，实际增加的高度是现浇空心板中的空心的高度，而且板端直接做梁，不必另设圈梁，其它材料量均不增加，综合其它方面的优势，经济效益还是明显的。 随着大开间房屋使用面积比例的增大，横墙的抗震性能变得越来越重要，其抗震受剪承载力的富余度越来越小，甚至与纵墙相差不远，也成为控制因素。所以在设计方案阶段，更要与建筑专业紧密配合，合理确定纵横墙的数量，合理选择门窗位置和尺寸大小，减小后期的结构计算工作量。 3 结构软件计算与分析结果 3.1结构基本特征参数  由于配筋砌块砌体作为一种近年发展起来的新型结构体系，其内力计算有其特殊规律，因此到目前为止，还没有一种专门针对配筋砌块砌体的特性而开发的实用设计计算程序，给推广应用配筋砌块砌体带来很大的困难。因此根据研究内容及其成果，课题组分别考察了用于高层结构体系空间有限元分析与设计程序SATWE和配筋砌块砌体应用设计程序QIK，认为在这两个程序的基本功能基础上扩展到本课题的研究内容，最后形成一套专用程序。本课题的试点工程就是使用这套专用程序进行内力分析，结构变形，截面配筋计算，直到形成结构设计施工图。  按照设计要求与《砌体结构设计规范》的规定，长春地区按7度抗震设防，Ⅱ场地，地震分组为第一组，丙类抗震建筑，场地特征周期为0.35S， 试点工程建筑抗震等级为二级，结构重要性系数为1.0，修正后的基本风压0.65，地面粗糙性系数为C类，采用26种工况内力组合，确定控制内力及不利配筋。 针对试点工程，为了校核专用程序的可靠性，项目组采用三个不同版本程序进行结构设计比较，分析比较结构基本特征参数；结构自振周期；基底剪力；楼层位移角；按侧刚模型计算时的结构振型，计算结果见表1～表3。 表1结构自震周期

计算软件

    周期（s） SATWE-2005.09 SATWE-本工程 配筋砌体专用程序 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结构地震作用下最大楼层位移角（F层号）  

      计算软件

  SATWE-2005.09 SATWE-本工程 配筋砌体专用程序 PMSAP-2005.09   层间位移角 X向 1/4434（6F） 1/3908（6F） 1/4124（6F） Y向 1/5309（6F） 1/4708（6F） 1/5194（6F）

 

              表3结构基底剪力、倾覆力矩值  

      计算软件

  SATWE-2005.09 SATWE-本工程 配筋砌体专用程序 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结构分析结论 （1） 经多种程序对比分析，结构层间位移及顶点位移均可满足砌体规范不大于1/1000的要求。 （2） 经多种程序的对比分析结果中的结构自振周期，结构基底剪力，倾复力矩基本接近。 （3） 数据显示，该结构两向地震反应接近，并且竖向刚度及楼层承载力变化均匀，有利于建筑物 抗震。 4 结构设计与应用研究结论 4.1 结构计算与分析方法  采用计算机辅助设计应用软件QIK可以实现对配筋砌块砌体各种体系的结构布置、排块设计、荷载输入，形成三维空间有限元计算模型，通过SATWE软件进行体系分析与计算，再用QIK软件绘制施工图，这一计算机辅助设计应用过程非常流畅。为了对比计算结果，同时采用三种不同软件进行同一结构计算，结果表明关键计算参数数值相近，反映出配筋砌块砌体各种体系的力学性能接近钢筋混凝土结构体系。 4.2 结构形式与布置 配筋砌块砌体剪力墙结构由混凝土空心砌块砌筑成墙体，在竖向的空心孔洞中及水平凹槽中配以纵、横向钢筋并浇灌芯柱混凝土。最后构成的墙体，实际上可视为装配整体式钢筋混凝土剪力墙结构。《砌体结构设计规范》GB50003-2001增加了配筋砌块砌体剪力墙结构的设计方法、计算公式、构造要求，适应了城市建设和墙体改革的需要，本项目的试点工程设计既以此为准。从课题组的大量调研中了解到，全国各地建造的9---18层砌块居住建筑，绝大多数采用了该种结构体系。且承重墙体的砌块强度大多为三层以下Mu20，三层以上Mu15,全灌芯，工程造价相对较高。本课题的试点工程从结构设计开始，对该体系的结构布置，芯柱布置，砌块强度等级以及构造等方面均采取了相应必要措施，在确保满足《砌体结构设计规范》GB50003-2001对结构安全要求的前提下，尽量降低工程造价。  试点工程上部结构共12层，层高均为3.05m，承重墙体均采用190mm厚配筋砌块砌体，每楼层砌体沿高度方向共砌筑13皮砌块，高2.6m。在每个楼层相同标高处,沿190mm厚各道墙体设置了封闭圈梁（梁高450mm），使其在无洞口处为墙梁，在洞口处为连梁，配合现浇钢筋混凝土实心楼板，对房屋的整体性起了很好的作用。 4.3 材料强度与灌芯率控制 砌块强度等级、砌筑砂浆强度等级、灌芯混凝土强度等级的确定原则，结合目前长春市砌块生产发展水平，在满足配筋砌体受力要求的前提下，适当降低砌块的强度等级，以提高砌块的使用率，降低生产成本，墙体材料强度指标沿竖向楼层分布详见表4。 灌芯率的控制原则，按照《砌体结构设计规范》的构造要求，二层以下采用全灌芯，三层以上按标准层的分布采用两种不同的灌芯率，66%与33%。为使灌芯孔内竖向插筋能通长布置，没有采用50%的灌芯率。                        表4墙体材料沿竖向楼层分布 范    围 砌块强度等级 灌芯混凝土强度等级 砂浆强度等级 砌块灌孔率 1～2层 Mu15 C30 M15 100% 3层 Mu15 C30 M15 66% 4～5层 Mu10 C25 M10 66% 6～10层 Mu10 C25 M10 33% 11～12层 Mu10 C20 M10 66%   4.4结构体系适应性 根据以上研究结论，从量大面广的多层居住建筑开始，配筋砌块砌体替代粘土实心砖的首选结构体系应该是现浇空心板大开间剪力墙结构，而且可扩展到多层公用建筑。进一步向中、高层（10～18层）居住建筑发展，由于配筋砌块砌体剪力墙不仅施工省模板、结构受力可靠，而且可大幅度降低墙体用钢量，节约工程造价，因此替代混凝土剪力墙结构势在必行。配筋砌块砌体剪力墙结构的设计应用，从各方面技术已经成熟，从芯柱布置、受力钢筋布置、灌芯混凝土的性能等方面进一步加以改善，大面积、全方位推广应用指日可待。   参考文献： [1] 施楚贤.砌体结构理论与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2003. [2] 姜洪斌，唐岱新. 配筋混凝土砌块砌体高层结构抗震性能研究.哈尔滨工业大学博士论文，2000. [3] 苑振芳. 砌体结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2006. [4] 杨松，李爽. 混凝土小型空心砌块大开间住宅设计及技术经济分析，高层配筋砌块砌体结构体系的关键技术研究报告之六，2001.