砌塊住宅工程設計論文

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[摘要]本文介紹了十八層配筋砌塊住宅的工程概況、結構整體內力分析、構件的承載力計算公式、計算結果，并與砼剪力墻結構比較作了經濟分析，最后針對砌塊建筑的計算特點及墻體構造的特殊性作了小結。本文按《砌體結構設計規范》GB50003（征求意見稿）進行設計。[關鍵詞]配筋砌體，復合夾心保溫墻，最小配筋率為進一步推動北京市高層配筋砌體結構的發展，經北京市建委、墻改辦及首規委同意，北京首鋼設計院在中國工程建設標準化協會砌體結構技術委員會、清華大學、中國建筑科學研究院高層建筑技術開發部的大力協助下，將在石景山金頂街地區建一座18層的高塔住宅，該建筑擬采用北京地區高強砼小型空心砌塊，結合北京市墻改節能的要求和住宅建筑的具體特點，在設計、施工中將有多項新技術、新材料的應用，它將是北京地區利用配筋砌體建造的第一座高層建筑。下面將該十八層配筋砌體住宅分以下幾個部分進行介紹：一.工程概況本工程為十八層配筋小砌塊高層住宅建筑，地處石景山金頂街地區，屬8°抗震設防區，場地土為Ⅱ類，此高塔住宅一梯八戶，總建筑面積13350m2，地下兩層，地上18層，局部20層，建筑平面圖見圖1。建筑設計在滿足使用功能的同時，還考慮了結構專業的需要，故在平面設計中盡量減少小墻肢數量，做到外墻無小墻肢，且使多條軸線上的墻體貫通。墻體平面布置沿中心基本對稱，使建筑物的質量中心與剛度中心基本重合，將結構扭轉效應的影響減到最低，對建筑物抗震十分有利。結合砌塊建筑的特殊性，本工程的建筑軸線間距、層高、洞口寬度均為200mm的倍數，水平及豎向灰縫均為10mm，這樣排塊簡單，砌塊型號少。本工程共需四種形式八種塊型，詳見圖2，其中，K1、K2、K3用于有水平配筋的墻體，K4、K5、K6用于無水平配筋的墻體，K7、K8為清灰塊，凡豎向灌實的孔洞最下一皮砌塊均放清灰塊，以清除墻體砌筑時掉入孔洞的多余的砂漿或雜物，因清灰塊處無法放水平鋼筋，故水平鋼筋從第二皮砌塊起設置。為保證結構的整體剛度，樓、屋面均采用現澆鋼筋砼板，每層樓、屋面標高處沿所有承重墻體均設置400mm高現澆圈梁。圖1標準層平面圖2塊形示意圖墻體形式包括以下三種：(1)承重外墻：外墻采用復合夾心保溫墻，即在190mm承重墻和90mm裝飾墻之間填充保溫材料，且每二皮砌塊高度設一道fb4鍍鋅鋼絲網片，作法詳見圖3。保溫材料采用core-Fill500氮尿素發泡劑，這是一種集節能、隔音、防火為一體的建筑材料，施工非常簡便，可在墻體砌筑完一層后填充保溫層，完全不受鋼筋、管道等障礙物的影響[5]。圖3復合夾心保溫墻(2)承重內墻：采用190mm系列單排通孔砌塊砌筑，雙面抹灰。(3)非承重內墻：采用90mm系列單排通孔砌塊砌筑，雙面抹灰。墻體砌筑砂漿要求使用強度高，粘結性、和易性好，保水性強的專用砂漿，而不是普通砂漿，這種專用砂漿適應砼小型砌塊布漿面窄、砌塊吸水率小、砌塊豎縫高度大的特點，同時又能滿足工程所需的強度要求。為了幫助工程監督、檢測從業人員不斷提高專業技術水平，二.內力計算分析配筋混凝土小砌塊剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻受力性能相似[2],可以采用普通鋼筋混凝土剪力墻結構計算程序進行內力分析。本工程計算理論及公式均以《砌體結構設計規范》(征求意見稿)GB50003-XX和《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》JGJ3-91為依據。2.1本工程采用中國建筑科學研究院編制的多層及高層建筑結構空間分析程序TBWE進行結構計算，并請程序編制者根據本工程的具體要求修改了相關的計算公式及荷載分項系數等內容。2.2根據建設部關于適度提高建筑工程可靠度的指示精神及《砌體結構設計規范》GB50003-XX（征求意見稿）的規定，將樓面活荷載及荷載分項系數適當提高，樓面活荷載采用2.0kN/m2，分項系數取①恒載1.2，活載1.4②恒載1.35，活載1.0二組中不利組合。2.3砌體彈性模量按《砌體結構設計規范》（征求意見稿）第3.2.5條取E=1600fG（砂漿強度等級≥M10），fG為單排對孔砌筑混凝土小型空心砌塊灌實砌體抗壓強度設計值。2.4計算結果：自振周期X向：T1=0.87秒，T2=0.27秒，T3=0.15秒，Y向：T1=0.90秒，T2=0.26秒，T3=0.14秒。地震作用下層間位移及頂點位移列于表1。表1地震作用下層間位移及頂點位移(△u/h)maxu/HX向1/25571/2888Y向1/24441/2916表中：△u—樓層層間位移；h—層高；u—頂點位移；H—建筑物總高度。層間位移及結構頂點位移均滿足《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》JGJ3-91的要求：u/H<1/1100,△u/h<1/1000（較高裝修標準）。三.承載力計算3.1單排對孔砌筑混凝土小型空心砌塊灌孔砌體抗壓強度設計值：fG=f+0.6αfc，且同時滿足fG/f≤2。式中f—空心砌塊砌體的抗壓強度設計值；fc—灌孔混凝土軸心抗壓強度設計值；α—砌塊墻體中灌孔混凝土面積和墻體毛截面面積的比值。3.2配筋砌塊墻體偏心受壓正截面承載力3.2.1大偏心受壓按下列公式計算N≤(fGbx+fyAs-fyAs-ΣfsiAsi)NeN≤[fGbx(h0-)+fyAs(h0-as)-ΣfsiSsi式中：N—軸向力設計值；fy,fy—豎向受拉、壓主筋強度設計值；b—截面寬度；fsi—豎向分布鋼筋抗拉強度設計值；As、As，—豎向受拉、壓主筋截面面積；Asi—單根豎向分布鋼筋的截面面積；Ssi—第i根豎向分布鋼筋對受拉主筋的面積矩；eN—軸向力作用點到豎向受拉主筋合力點之間的距離；—承載力抗震調整系數。3.2.2小偏心受壓時按下列公式計算（不考慮豎向分布筋的作用）N≤（fGbx+fyAs-σsAs）NeN≤[fGbx(h0-)+fyAs(h0-as)]T形及I形墻體計算理論與砼構件相同，墻受壓翼緣寬度取值詳見GB50003-XX表9.2.5。3.3配筋砌塊墻體斜截面抗剪承載力配筋砌塊墻體承載力計算時，考慮抗震等級的剪力設計值VW在底部加強區范圍內取VW=1.5V（一級抗震等級），其它部位取VW=V，式中V—考慮地震作用組合的剪力墻計算截面的剪力設計值。3.3.1截面限制條件VW≤式中b—剪力墻截面寬度或T形、倒L形截面腹板寬度；h—剪力墻的截面高度。3.3.2偏心受壓時斜截面受剪承載力計算公式VW≤M、N、VW—考慮地震作用組合的剪力墻計算截面的彎矩、軸力、剪力設計值，當N>時，取N=；A—剪力墻的截面面積；AW—T形或I形截面剪力墻腹板的截面面積；λ—計算截面的剪跨比，當λ≤1.0時，取λ=1.0，當λ≥2.2時，取λ=2.2；h0—剪力墻截面的有效高度；S—剪力墻水平分布鋼筋的豎向間距；fyh—水平鋼筋的抗拉強度設計值；Ash—配置在同一截面內的水平分布鋼筋的全部截面面積之和。3.3.3偏心受拉時斜截面受剪承載力計算公式VW≤注：當<0時，取=0。3.4剪力墻連梁承載力計算在地震荷載作用下，連梁抗剪鋼筋較大，采用砌塊連梁施工困難，故采用現澆砼連梁。連梁承載力按《鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程》JGJ3-91中的公式計算。3.5根據承載力計算典型墻片的配筋和墻體配筋率列于表2和表3（P7）。表2計算配筋層數砌塊砂漿注芯砼暗柱鋼筋縱向水平鋼筋灌孔率縱筋箍筋鋼筋1-5MU20M20C40每孔一根φ22每孔一個φ8,豎向間距200φ18@4002φ14@400全部灌實6-9MU20M20C40每孔一根φ20每孔一個φ8,豎向間距200φ18@4002φ12@400全部灌實10-14MU15M15C30每孔一根φ20每孔一個φ8,豎向間距200φ16@4002φ12@600豎向孔洞每灌實一孔空一孔，水平方向每灌實一皮空一皮15-17MU10M10C20每孔一根φ18每孔一個φ8,豎向間距200φ16@4002φ12@600豎向孔洞每灌實一孔空一孔，水平方向每灌實一皮空二皮18MU10M10C20每孔一根φ20每孔一個φ8,豎向間距2002φ12@400全部灌實19-20MU10M10C20每孔一根φ18每孔一個φ8,豎向間距200φ16@4002φ12@400全部灌實所有墻體交接處及端部均設暗柱及端柱，墻體水平及縱向分布鋼筋均滿足《砌體結構設計規范》（征求意見稿）最小配筋率0.13%，暗柱配筋滿足加強部位0.8%，其它部位≥3φ18的配筋率要求。四.非線性地震反應分析作為試點性建筑，基于慎重的考慮，我們請湖南大學作了非線性地震反應分析，計算采用質量串模型，分別按層剪切模型和層彎剪模型進行分析計算，其恢復力模型均取有下降段的三折線形式，各段剛度及折點荷載值均取單層墻片試驗得到的數據，層間恢復力模型中的各值由各墻片相應值疊加而成。計算時輸入兩條地震波,1.TAF波，適用于Ⅱ類場地，Tg=0.44(s)；2.ELCENTRO波，適用于Ⅱ、Ⅲ類場地，Tg=0.55(s)。最大加速度峰值按8度區調整為70gal，220gal和400gal。計算結果表明，當輸入地面最大加速度峰值為70gal時，結構處于彈性階段，按兩種模型所計算出的頂點位移u及層間位移△u均滿足u/H<1/1100,△u/h<1/1000的規定要求。當輸入地面最大加速度峰值為220gal和400gal時，結構處于彈塑性階段。當輸入加速度峰值為400gal時，其層間彈塑性位移角△u/h=1/186(X方向)、1/211(Y方向)。由計算結果可知：19層由于層高較大，剪力墻布置較少，抗側剛度較小，因而層間位移較大，為一薄弱層。施工圖設計時，考慮適當增加剪力墻的數量。五.經濟分析高層砼砌塊配筋砌體除地面以上承重墻體以外的其他結構構件及相關專業的做法均與砼現澆剪力墻結構相同，故只進行砌塊墻體經濟比較，墻體直接費的計算以北京榮建建材有限公司與三個施工單位對八棟多層砌塊住宅測算的經濟指標為基礎，結合《建設工程概算定額》，針對本工程具體材料的不同進行了鋼筋、砼的調增，對比對象為正在施工中的蘋果園四區9#樓（十八層全現澆剪力墻結構）。以1m2面積的墻體為標準，配筋砌塊墻體的直接費是119.8元，而砼結構是159.7元，1m2墻體可節省直接費39.9元，地上十八層墻體總面積約18100m2，僅直接費一項就可節約71.8萬元，加上其他直接費、現場經費、利潤等預計能節省投資102萬元。此外，砌塊墻體比現澆墻體的施工速度快，整體施工周期短，由此可見，在經濟效益上，配筋砌體結構比砼結構有著明顯的優勢。六.工程設計小結和混凝土結構相比，高層配筋砌體結構的建筑布置、結構整體分析、構件強度計算、構造要求、建筑材料性能及施工工藝等均有自己的特殊性。下面重點從計算理論和控制墻體裂縫兩方面將工程設計作一小結。6.1配筋砌體和砼剪力墻結構的計算比較高層砼結構的內力與位移按彈性方法計算，并考慮各抗側力結構的共同工作，連梁可按有關規定考慮局部塑性變形引起的內力重分布[4]，一般二十層以下的砼剪力墻結構墻體厚度從首層至頂層是一樣的，故墻體因砼強度等級不同而引起的彈性模量和剛度的變化很小，計算表明除個別小墻肢按柱要求配筋外，絕大多數墻體配筋均為構造配筋。砼剪力墻的最小配筋率，除延性要求外，主要考慮在塑性狀態澆注，為限制在水化過程中產生顯著收縮的需要[1]?！朵摻罨炷粮邔咏ㄔO結構設計與施工規程》JGJ3-91對墻體水平、豎向分布筋的最小配筋率作了要求。配筋砌體通過鋼筋和砼的共同工作，使鋼筋在受力過程中強度達到流限，而徹底改變了傳統的砌體結構脆性破壞的剪切特性，具有和鋼筋砼結構同樣的性能[2]，故可用砼結構的計算理論對配筋砌體進行結構的整體分析。因在水平地震荷載作用下，連梁的抗剪鋼筋較多，施工困難，故將連梁現澆，且對其按砼構件的有關規定進行剛度折減。配筋砌體由砌塊、砂漿、注芯砼、鋼筋組成，由材料強度等級特別是由灌孔率不同而引起的墻體彈性模量及剛度的變化比砼結構顯得更為突出，這點由本文前面所介紹的計算公式中可以看出，而從下至上灌孔率逐漸減小，可減輕結構自重，從而減少水平地震作用，對建筑抗震十分有利。另外，由于砌體結構中存在許多豎向灰縫，地震時能吸收更多的能量，增加了結構的變形和耗能能力，是一種又剛又柔的性能良好的抗震建筑材料[1]。在試驗過程中，配筋砌體結構的延性表現十分突出，優于砼剪力墻結構[2]。所以在抗震結構的體系選擇上配筋砌體結構優于砼剪力墻結構。另外，由于配筋砌體施工時，作為主要材料的砌塊塊體尺寸穩定，僅在其孔洞中加入了塑性的砂漿和注芯混凝土，因此砌體墻可收縮的材料要比砼少得多，這就決定了同樣考慮了結構延性要求的配筋砌體的水平及豎向鋼筋最小配筋率比砼結構小[1]，這正是配筋砌體比砼剪力墻能節省大量鋼筋的原因所在。6.2控制墻體裂縫的措施及復合夾心保溫墻砌塊建筑最突出的問題就是墻體裂縫及滲漏問題，主要由溫度應力與砌塊塊體干縮及砌塊質量造成，控制砌塊干縮對砌體的影響，必須保證砌塊的相對含水率[3]。為防止由溫度應力引起的墻體開裂，多層砌塊房屋的常規作法是在頂層設保溫隔熱層，門、窗洞口邊設芯柱，在墻體適當位置的灰縫中設水平鍍鋅鋼絲網片,首層窗臺下墻體灌實等。本工程根據計算及構造要求，1～9層、18～20層全部灌實，為墻體溫度應力敏感區提供了抗裂保證，另外，墻體內部配置的水平鋼筋取代了鍍鋅鋼絲網片，能更有效地保證墻體抗裂。傳統的墻體保溫作法不管是內保溫還是外保溫，多采用保溫板或保溫磚，但這種作法有一個通病，就是在板縫或磚縫部位易出現裂縫，影響美觀，對墻體抗滲造成隱患。而本工程采用的復合夾心保溫墻作法，既能滿足保溫、抗滲要求，外裝飾墻的清水墻面又能充分體現出砌塊建筑的特點，美觀大方，經濟實用。經測算，夾心墻僅保溫費用比砼剪力墻采用舒樂舍板外保溫加抹灰和防水涂料每平方米墻面可節省19元，所以說復合夾心保溫墻的抗裂保溫性能和經濟效益均優于傳統作法。本工程作為我國在8°抗震設防區采用高強砼小砌塊的高層配筋砌體建筑，對于北京市乃至全國發展新型墻體材料、推廣和使用砼小型空心砌塊將起著推動和示范作用，高層配筋砌體體系的研究，是一項涉及到建筑材料、實驗、結構設計、計算及施工等多方面的系統工程，本工程的建成、使用將會為該體系的研究提供大量數據、指標，并填補我國在高地震設防區建造高層配筋砌體建筑的空白。參考文獻[1]苑振芳，高連玉，混凝土砌塊建筑發展現狀及展望，′99全國砌體結構學術會議論文集，全國砌塊結構標準技術委員會，浙江大學建筑設計研究院，浙江大學土木工程學會，1999.9[2]錢義良等，高層配筋砌塊砌體房屋的設計,′97全國砌塊建筑設計施工技術研討會論文集，中國建筑砌塊協會，1997.4[3]于本英，小型空心砌塊墻體構造設計圖集的編制和研究，′97全國砌塊建筑設計施工技術研討會論文集，中國建筑砌塊協會，1997.4[4]鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程JGJ3-91，中國建筑工業出版社，1991[5]Core—Fill500絕緣保溫材料產品介紹（SureBlock公司）表3墻體的配筋率層墻肢計算所需鋼配筋砌體最小配筋率（一級抗震）砼結構最小配筋率（二級抗震）筋的配筋率端部暗柱水平及豎向分布筋端部暗柱水平及豎向分布筋數編號V(kN)N(kN)M(kNm)端部暗柱水平鋼筋底部加強區一般部位加強部位一般部位底部加強區一般部位加強部位一般部位1708.03575.32853.70.6%0.15%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%121058.94651.83018.10.6%0.15%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3835.33906.85199.40.6%0.15%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1583.83772.71269.30.6%0.11%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%52968.13806.71453.50.6%0.22%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3694.04241.11706.50.6%0.11%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%92840.82769.0661.40.6%0.18%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%142575.61537.0518.70.6%0.14%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1###0.6%0.14%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%182###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%注：#所示控制內力表示墻肢配筋按最小配筋率控制即可。