建筑設計板柱構造適用高度探索

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1.綜述

由于板柱結構(無抗震墻者)抗震性能較差,北京市建筑設計院1992年出版的《結構專業技術措施》中規定,在抗震設防烈度為6度的地區,層數不能超過四層,房屋總高不能超過16m,7度區為三層及12m,8度區為二層及8m。(以上指未設抗震墻的板柱結構)新的抗震規范GB50011-2001對于板柱結構作了比較嚴格的規定,例如,對于適用最大高度,6、7、8度區分別為40,35,30米;抗震墻應能承擔全部地震作用,板柱部分能額外承擔全部地震作用的20%;沿兩個主軸方向通過柱截面的板底連續鋼筋,有數量的要求(抗震規范6.6.9式)等等。

在抗震規范表6.1.1,現澆鋼筋混凝土房屋適用的最大高度中,有板柱-抗震墻結構,但是沒有不設抗震墻的板柱結構,它的意思是,不推薦采用不設抗震墻的板柱結構。

此外,目前有一種說法:抗震規范對于各種結構體系的房屋,都有一個“限制高度”,這是一個誤解。的確,包括過去的抗震規范都提出了“適用的最大高度”,但這并不是“限制高度”,它的意思是,在使用該規范進行設計,并遵守規范的計算、構造等一系列要求,各種體系在各設防烈度時,該規范的適用范圍,是多少高度。例如,在8度區,框架-抗震墻按該規范設計時,適用到100m高度。如果建筑物高度需要高于100m,就需采取比規范內容更嚴格的措施(包括計算與構造),并經過規定的審查,只要符合要求,是可以超過抗震規范表6.1.1中的高度的。總之,并無“限高”的說法。如果限制高度,只許建多少米,豈不是限制了科技的進步?

新抗震規范對于板柱-抗震墻的適用高度,規定得較低,這對于一般的高層建筑,是遠遠不夠用的。是否可以建得更高一些,可以根據從震害分析著手:

美國阿拉斯加四季公寓的倒塌,往往被認為是板柱-抗震墻性能不好的一個例證。但從林同炎事務所的分析報告來看,該工程的設計按100%地震力由核心筒來承擔,在承載力方面也是足夠的,只因施工單位在鋼筋接頭上未按規定施工,才造成嚴重破壞。

阿爾及利亞的倒塌事故,是由于該工程為純板柱結構(樓板為雙向密勒,無梁),層高較高,跨度也較大。此種結構不能抵抗地震是不足為奇的,也不提倡此類結構。

綜上所述,板柱結構的破壞主要是:

①.未布置一定數量的抗震墻,因而地震作用全由板柱框架承受。由于未布置抗震墻,此種結構的節點剛度又相對較弱,因此側向位移常較大。由于它延性差,抗彎和變形能力很弱,再加上P-⊿效應,在強震時造成嚴重破壞甚至倒塌是很可能的。

②.板柱節點處,樓板抗沖切能力差。在柱子周邊板內,未設置抗沖切的鋼筋,或設置得不恰當,節點處不平衡彎矩對樓板造成的附加剪應力未適當考慮,柱周邊板的厚度不夠,使抗剪箍筋不易充分發揮作用,或柱子縱筋在節點處滑移。

由于這些原因,在強震時使墻板產生沖切破壞,隨之樓板墜落,造成巨大損失。明白了板柱的破壞原因,采取相應有效的措施之后,板柱-抗震墻結構的抗震性能,將能有很大的提高,其設計強度也將提高。

2.板柱-抗震墻的設計建議

2.1結構布置

2.1.1應布置足夠數量的抗震墻(包括核心筒),墻的位置宜避免偏心。

2.1.2在房屋周邊,應布置邊梁,以形成周邊框架。

2.1.3抗震墻的厚度不應小于180mm,且不應小于層高的1/20,底部加強部位的抗震墻厚度不應小于200mm,且不應小于層高的1/16(可取層高及無支長度二者中較小值計算)。

2.1.4單片抗震墻的兩端應設置端柱,樓層處應設置暗梁。筒體墻的端部應設置端柱或暗柱,樓層處應設置暗梁。

2.1.5抗震等級的選用:可比抗震規范表6.1.1中之“板柱-抗震墻結構”一欄所規定者,提高一級,但原為一級者,不必提高(房屋高度不超過抗震規范中的規定時,抗震等級不必提高)。

2.2設計計算

2.2.1抗震墻(核心筒)應承擔結構的全部地震作用,各層梁柱框架應能承擔不少于各層全部地震作用的20%,也即,墻與框架承擔的地震作用總和為120%的全部地震作用。板柱框架不考慮承受地震作用,但仍應按抗震構造。

2.2.2當房屋高度超過抗震規范表6.1.1之規定值時,其樓層的最大彈性層間位移角限值應取為1/1000。

2.2.3樓板在柱周邊臨界截面的沖切應力,宜控制在較低水平,一般不宜超過允許值0.7ft的75%。

2.2.4當地震作用能導致柱上板帶的支座彎矩反號時,應驗算圖中虛線截面的沖切承載力。

2.2.5板柱結構在地震作用下按等代框架分析時,其等代梁的寬度采用:

①.框架方向跨度的3/4

②.垂直于等代框架方向柱距的1/2兩者中的小值。

2.2.6沿兩個主軸方向通過柱截面的板底連續鋼筋的總截面面積,應符合下式要求:

AS≥NG/fy

式中,AS——板底連續鋼筋總截面面積。可按每方向1/2AS配置,此鋼筋應位于柱截面范圍內。

NG——各層樓板傳到柱子的軸壓力,取設計值

fy——該連續鋼筋的抗拉強度設計值。

2.2.7應考慮由于板柱節點處的不平衡彎矩引起的附加剪應力。

2.3構造

2.3.18度時宜采用有托板的板柱節點,托板根部的厚度(包括板厚)不宜小于柱縱筋直徑的16倍。托板的邊長不宜小于4倍板厚及截面相映邊長之和。7度時也宜盡可能設置托板。

2.3.2宜在柱上板帶中設置暗梁。暗梁寬度可取柱寬及柱兩側各1.5倍板厚。暗梁支座上部鋼筋面積應不小于柱上板帶鋼筋面積的50%(此鋼筋可作為柱上板帶負彎矩鋼筋的一部分),暗梁下部鋼筋不宜少于上部鋼筋的1/2。

暗梁箍筋的配置:當計算不需要時,箍筋直徑不小于8mm,間距≤3/4h0,肢距≤2h0;當計算需要時,箍筋直徑按計算確定,但不小于10mm,間距≤0.5h0,肢距≤1.5h0,h0為板截面有效高度(不包括托板厚度)。

2.3.3柱上板帶支座處暗梁的上部鋼筋,至少1/4應在跨度方向通長。

2.3.4盡可能采用高效能的“抗剪栓釘”,以提高板柱結構的抗沖切性能。

3.結論

當設計及構造采取上述全部建議后,作者認為,此類結構的適用高度,可按抗震規范表6.1.1中框架-抗震墻結構取用。