以工程實例分析某商住樓的結構設計

楊琴

（貴州省建筑科研設計院，貴州 貴陽 550000）

1 引言

某商住樓為新農村建設項目，一樓由于臨街用作商業，采用底部框架抗震墻結構；上部為五層住宅，采用砌體結構。抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第三組。

設計地震分組為第三組，具有不同自振周期的建筑的設計計算的地震作用增加幅度是不同的。由于磚混結構和底框結構層數和高度受到限制，剛度大、周期短，一般直接采用水平地震影響系數最大值計算得到水平地震作用。也就是說，改變設計地震分組，不會增加砌體結構或底框結構的設計地震抗力。本工程從平立面布置、構造、材料等多方面進行抗震概念設計，并利用有限元整體計算得到指標衡量房屋的規則性，以實現“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。

2 抗震概念設計要點分析

底部框架—抗震墻結構的布置僅畫在11軸以左，11軸以右為上部砌體結構標準層布置。平面長度30240mm，寬度12090mm。底層層高3.95m，標準層層高3m，房屋總高度18.95m，房屋的高寬比為1.56。A軸線是建筑臨街的一面，為底層商鋪的入口。兼顧建筑使用要求和結構抗震需要，抗震墻布置如圖1中11軸線以左，抗震墻墻肢及端柱用涂黑表示。

圖1 結構平面設計

上部的砌體磚墻與底部的框架梁或抗震墻基本對齊，每戶僅在廚房有一道不長的磚墻落在轉換次梁上，例如14軸線上的D-E墻段。底部抗震墻力求均勻、對稱布置，并盡量設置在房屋四周，以抑制地震時的扭轉。各抗震墻墻肢長度大致相近，且均不超過層高。框架和抗震墻的抗震等級均為三級；抗震墻主要是承受水平剪力，僅設置構造邊緣構件。底框結構的縱向受力鋼筋的受力性能應滿足下列條件:鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值不應小于1.25；鋼筋的屈服強度實測值與強度標準值的比值不應大于1.3；且鋼筋在最大拉力下的總伸長率實測值不應小于9%。上部砌體結構，由于用作住宅，橫向墻體間距較小。圖1中11軸線以右的砌體結構布置中，涂黑的為標準層構造柱。外墻的四角和對應轉角(凸角)處，內墻與外墻交接處、較大洞口兩側，均設置構造柱。過渡層在底部框架柱對應位置處均設置構造柱。圖1中11軸線以右編號為GZ1的陰影小柱僅為過渡層構造柱，過渡層以上不再設置。構造柱縱筋為4覫14。構造柱與墻連接處應砌成馬牙槎，并沿墻高每隔500mm設2覫6拉結鋼筋，每邊伸入墻內1m。砌體結構采用MU10頁巖多孔磚，過渡層及上一層采用M10混合砂漿，其余采用M7.5混合砂漿。頂部兩層地震力相對較小，但砂漿強度不降至抗震規范的最低要求M5，是為了適當提高抗震能力，同時也有利于防止頂層砌體出現溫度裂縫。

本工程樓、屋面板均為現澆，標準層板厚100mm，屋面板厚度120mm；由于地震時要傳遞不落地砌體磚墻的水平力，過渡層底板厚度取為130mm，并設雙層雙向配筋。上部砌體結構在3層(過渡層頂板)、5層及屋面隔層均設置240mm×180mm圈梁；未設置圈梁樓層的樓板內沿墻體設3覫10加強筋，并與相應的構造柱連接。構造柱與圈梁、現澆板一起約束砌體，增加了結構的空間剛度和整體穩定性，也使砌體結構在罕遇地震作用下具有更好的延性。本工程砌體墻段的局部尺寸一般不少于1m，并且在同一軸線上的窗間墻寬度盡量均勻。由于建筑條件限制，個別墻段的長度僅為840mm，因此在該墻段上設置有構造柱，構造柱縱筋直徑亦比規范要求增大一級，以避免地震時局部薄弱墻段的首先破壞而導致連鎖反應，造成各個擊破，最終整個結構倒塌，或塌落傷人。

樓梯間墻沒有樓板作為墻的支撐，而只有斜向的樓梯。樓梯不允許嵌入墻內，對墻體不起支撐作用，所以，樓梯間墻高而空曠，尤其頂層墻體更是形成一層半高的高墻而無側向約束。且樓梯的梯段為連接兩層的斜撐構件，地震時受力復雜，樓梯間在地震中容易首先遭到破壞甚至倒塌，影響地震時人員的疏散逃生。按08規范局部修訂的要求，樓梯段上下端對應墻體處增加4根構造柱，與在樓梯間四角設置的構造柱合計有8根構造柱。頂層樓梯間橫墻和外墻沿墻高每隔500mm設2覫6通長鋼筋，其余各層在休息平臺標高(半層高)設置60mm厚的鋼筋混凝土帶。另外樓梯間作為薄弱房間，平面布置時避開了應力集中、對扭轉敏感的房屋轉角部位和端部。

3 建筑結構規則性的量化指標計算

本工程采用中國建筑科學研究院PKPM序列程序進行計算。利用PMCAD可以計算得到砌體結構過渡層與底部框架抗震墻的側移剛度比值:x向為1.31，y向為1.38。說明底部抗震墻設置數量合理，不會使底層剛度過小形成薄弱層，避免地震時彈塑性變形嚴重集中在底層而破壞；砌體結構過渡層的側移剛度仍然大于底層，也避免了薄弱層向砌體過渡層轉移，導致砌體結構層在罕遇地震下破壞嚴重的情況。

本工程的結構側向剛度沿高度變化相對均勻，較好地符合了規范對底框磚混結構的豎向規則性要求。砌體結構抗震設計的規范方法是利用底部剪力法算出各層的水平地震剪力，再分配給本層各抗側力構件。這種計算方法不能反應質量形心與剛心不一致、底框結構與上部砌體結構剛度形心不一致等產生的扭轉作用，因此從計算的角度，也要求結構平面布置規則對稱，限制地震時產生扭轉。SATWE程序提供了一種有限元整體算法，對砌體結構或底框磚混結構進行計算分析。其原理是將砌體假定為各向同性的均質材料，并用SATWE墻單元模擬。利用有限元整體算法進行砌體結構或底框磚混結構設計目前還有局限性，規范也未涉及此方法，本工程僅利用其計算出的各項規則性指標。

本工程砌體材料的彈性模量取為2.550kN/mm2，計算得到結果如下。底部框架抗震墻的偏心率，x向為 0.03%，y向為7.15%。上部砌體結構標準層的偏心率，x向為0.08%，y向為3.66%。底部框架抗震墻結構的剛度形心和上部砌體標準層的剛心和質心在平面位置上均比較接近。以底層框架抗震墻作為基準，上部砌體標準層的剛心相對于底部框架抗震墻結構的剛度形心的偏心率，x向為0.07%，y向為0.99%。上部砌體標準層的質心相對于底部框架抗震墻結構的剛度形心的偏心率，x向為 0.02%，y向為2.71%，也就是說底部框架抗震墻結構的剛心與整幢房屋的質心的平面位置亦較為一致。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比為0.701。樓層豎向構件的最大彈性水平位移 (或層間位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的比值，x向為1.1，y向為1.0。由于程序原因，位移比計算還沒有考慮偶然偏心影響的地震作用。計算結果表明，本工程底框-上部磚混的整個結構抗扭轉性好。為了進一步考察上部砌體結構的規則性，單獨取上部5層砌體結構進行有限元整體計算。結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比為0.711。樓層豎向構件的最大彈性水平位移(或層間位移)與該樓層兩端彈性水平位移(或層間位移)平均值的比值，x向為 1.1，y向為1.0。

4 結束語

文章結合工程實例，簡要介紹了底框磚混結構的抗震概念設計主要內容，并利用有限元整體算法，計算得到建筑結構規則性的量化指標。為底框結構和磚混結構的抗震設計提供了良好范例。

[1]金海良,卞幸福.商住樓結構設計技術的探討[J].中國新技術新產品,2010-03-10.