板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺論

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板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺論

近年來(lái)，板柱結(jié)構(gòu)體系是在我國(guó)發(fā)展較為迅速的一項(xiàng)建筑結(jié)構(gòu)體系。因其結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身高度較小，因此，其具有便于設(shè)備管道布置安裝，可有效地減少層高，降低建筑造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。并且，因其層高較低，采用板柱結(jié)構(gòu)體系的建筑物的地震效應(yīng)也要明顯小于層高較大的梁板結(jié)構(gòu)體系的建筑物。在施工方面，采用板柱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系的建筑物具有施工支模簡(jiǎn)單、樓面鋼筋綁扎方便，設(shè)備安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，從而大大提高了施工速度。因此，采用板柱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 

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

因此，在我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010)中并沒(méi)有單純的板柱結(jié)構(gòu)體系，而是要求采用板柱、框架和抗震墻共同組成抗側(cè)力體系，即板柱－抗震墻體系。

下面，對(duì)板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

一. 結(jié)構(gòu)布置

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010)中規(guī)定，板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)的最大適用高度在設(shè)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(jié)構(gòu)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(cè)力構(gòu)件，并能夠承擔(dān)結(jié)構(gòu)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(jì)算要求外，尚應(yīng)能承擔(dān)不少于各層相應(yīng)方向全部地震作用的20％。這就是說(shuō)，在板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)中，全部的地震力應(yīng)首先由抗震墻承擔(dān)。

《全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》中對(duì)板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)的平面布置有如下要求：

1 結(jié)構(gòu)布置宜均勻、對(duì)稱，剛度中心與質(zhì)量中心宜重合。 

2 板柱結(jié)構(gòu)每方向單列柱數(shù)不得少于 3 根。 

3 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，必須采用板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)兩主軸方向均應(yīng)布置抗震墻，成雙向抗側(cè)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(cè)，伸出長(zhǎng)度（從板邊緣至外柱中心）不宜超過(guò)板沿伸出方向跨度的 0.4 倍；當(dāng)樓板不伸出邊柱外側(cè)時(shí)，在板的周邊應(yīng)設(shè)邊梁，邊梁截面高度不應(yīng)小于板厚的 2.5 倍，邊梁應(yīng)按與半個(gè)柱上板帶共同承受彎矩、剪力和扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)，并滿足各最小配筋率的要求。 

5 抗震設(shè)計(jì)時(shí)，房屋的周邊應(yīng)采用有梁框架，有樓梯、電梯間等較大開(kāi)洞時(shí)，洞口周圍宜設(shè)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(jié)構(gòu)。

在布置抗震墻時(shí)，應(yīng)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)可控。剪力墻布置時(shí)盡量避免單片墻、短肢墻，難以避免時(shí)，應(yīng)設(shè)置端柱。

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

樓板可采用空心樓板，這是近幾年國(guó)內(nèi)推廣的新技術(shù)，它利用薄壁管材作為內(nèi)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(jié)構(gòu)自重，增大結(jié)構(gòu)剪重比，對(duì)結(jié)構(gòu)明顯有利，且自重減小對(duì)降低工程造價(jià)也是有利的。

二. 建模及結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析可采用兩種辦法將無(wú)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(kuò)出1.5倍板厚的寬度輸入模型。此種方法計(jì)算結(jié)構(gòu)位移和周期都是有用的，不過(guò)有一點(diǎn)要注意，柱子剛度不準(zhǔn)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(jì)算時(shí)將樓板定義為彈性板6，彈性板6是一種能真實(shí)計(jì)算樓板平面內(nèi)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(jìn)行三維分析計(jì)算時(shí)我們必須選擇總剛算法進(jìn)行計(jì)算。 

下面是某工程分別采用兩種辦法分析的結(jié)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(zhuǎn)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(duì)比可以看出，采用彈性樓板假定分析的結(jié)構(gòu)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(jìn)行的計(jì)算；而彈性板法是將整層樓板進(jìn)行真實(shí)剛度計(jì)算的。

我認(rèn)為，采用彈性板法的計(jì)算結(jié)果更接近于真實(shí)。但在計(jì)算機(jī)計(jì)算分析過(guò)程中，采用彈性樓板法的分析時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于采用等代框架法的計(jì)算時(shí)間。

最后，必須指出的是：對(duì)于現(xiàn)代高層建筑中比較常見(jiàn)的厚板轉(zhuǎn)換層的計(jì)算也可象無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)一樣進(jìn)行類似的處理計(jì)算。但是如果要在SATWE軟件中計(jì)算厚板轉(zhuǎn)換層時(shí)，在使用PMCAD進(jìn)行人機(jī)交互式輸入時(shí)必須注意：除了要象無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)一樣要輸入虛梁以外，層高的輸入有所改變。應(yīng)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(wú)梁樓板計(jì)算

    對(duì)于樓板的計(jì)算，過(guò)去常采用的方法是等代框架梁法和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法。PKPM2008版中的“復(fù)雜樓板有限元計(jì)算”SLABCAD模塊能夠讀取采用彈性板算法計(jì)算的SATWE內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)果更為準(zhǔn)確，因此現(xiàn)在僅討論此方法。

整體分析計(jì)算完成后，我們可以利用PKPM軟件中的“復(fù)雜樓板有限元計(jì)算”SLABCAD模塊進(jìn)行樓板的分析計(jì)算。

首先點(diǎn)取“生成樓板有限元分析數(shù)據(jù)”菜單來(lái)生成有關(guān)的計(jì)算數(shù)據(jù)，并將相應(yīng)的計(jì)算條件及計(jì)算參數(shù)進(jìn)行定義。如果是預(yù)應(yīng)力樓板的話還應(yīng)將預(yù)應(yīng)力參數(shù)選取。當(dāng)然，此時(shí)必須注意的是：由于有限元的計(jì)算原理所致，對(duì)于樓板的有限元?jiǎng)澐珠L(zhǎng)度不一樣可能會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。 同時(shí)我們還可補(bǔ)充輸入無(wú)梁樓蓋的其它數(shù)據(jù)，如樓板的洞口及柱帽等特殊構(gòu)件。并可對(duì)樓板不同部位的板厚進(jìn)修改，同時(shí)，我們還可以在樓板上添加任意的荷載，包括在PMCAD建模時(shí)無(wú)法輸入的板上的任意線荷載及點(diǎn)荷載。

此外，我們還可以輸入支座沉降及約束等補(bǔ)充數(shù)據(jù)。SLABCAD的補(bǔ)充數(shù)據(jù)輸入完畢后我們就可以通過(guò)“有限元分析和計(jì)算”菜單對(duì)無(wú)梁樓蓋進(jìn)性設(shè)計(jì)計(jì)算了。對(duì)無(wú)梁樓蓋的計(jì)算內(nèi)容主要包括樓板的內(nèi)力、位移、配筋計(jì)算及板的沖切驗(yàn)算等。計(jì)算完畢后再通過(guò)“分析結(jié)果圖形顯示”菜單查詢其計(jì)算結(jié)果。     

四. 構(gòu)造

無(wú)梁樓板的構(gòu)造主要就是暗梁，板柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，板面抗裂構(gòu)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(guò)程中經(jīng)得起工人的踩壓而不變形，這個(gè)靠經(jīng)驗(yàn)，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(diǎn)也可以。柱頭處注意鋼筋截?cái)嗟拈L(zhǎng)度，尤其是有托板的情況下要重視。 另外一個(gè)重要的構(gòu)造就是板筋的搭接問(wèn)題，對(duì)于無(wú)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(shí)候要在施工圖中說(shuō)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(zhǎng)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(yàn)算在板柱結(jié)構(gòu)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(shè)柱帽的方式加強(qiáng)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(dá)到減小板鋼筋用量，節(jié)約工程造價(jià)的目的。

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

3.設(shè)置型鋼剪力架抗沖切。

    五. 結(jié)語(yǔ)

    板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)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(jì)效益。

    設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須能從把握整體結(jié)構(gòu)、分析薄弱環(huán)節(jié)到細(xì)致分析，合理采取措施，保證結(jié)構(gòu)的安全性和提高經(jīng)濟(jì)性。

以上是本人對(duì)板柱－抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些總結(jié)和淺見(jiàn)。

                                                     賈志鵬

                                                     2011年