六層無躍層坡屋頂剪力墻結構設計

劉秋燕

本工程建于2007年,是北京市郊區某舊小區插建的一棟6層板式住宅樓,建筑風格沿襲該小區原有風貌,因此頂層采用了無躍層坡屋頂形式(該小區原有住宅均為無躍層坡屋頂磚混結構)。該工程地下1層,地上6層。標準層層高2.8 m(頂層坡屋頂脊尖高2.2 m),住宅樓總高19.8 m。由于北京市早在2005年之前已禁止生產及使用各類黏土制品,因此本工程結構形式采用剪力墻結構。抗震設防烈度8度,剪力墻抗震等級三級。剪力墻厚度180 mm,混凝土強度等級C25。標準層結構平面圖見圖1。

1 概念設計最為重要

北京地區為8度抗震設防區,地震是最嚴重的自然災害。考慮到大震發生的概率很低和建筑結構抗震的經濟性,我國規范采用的是較低地震力—較高延性方案,即采用比基本烈度降低1.5度(小震)配合概念延性構造要求進行抗震設計。抗震設計分為抗震計算設計和抗震概念設計兩大部分,人們在總結大地震災害的基礎上認識到,概念設計比計算設計更為重要。對于剪力墻結構,要通過選擇合理的結構布置、合理的破壞機制、適宜的剛度和強度分布及延性設計等實現規范要求的安全度。

2 結構布置

1)抗側力構件的布置。該工程建筑平面呈矩形,因此剪力墻沿兩個軸線方向布置,并盡量拉通、對直,成一直線。平面布置盡可能均勻、對稱,盡量使結構的剛度中心和質量中心重合,以減少扭轉。在豎向,剪力墻自下至上連續布置,避免了剛度的突變。多層剪力墻結構側向剛度不宜過大,否則將加大地震作用,影響經濟指標,因此除所有外墻均布置剪力墻外,內橫墻僅在樓梯、電梯間及分戶墻位置設置了剪力墻。

2)剪力墻開洞。剪力墻的洞口大小、位置及數量對剪力墻的結構受力影響很大,本工程盡量將門窗洞口上下對齊,成列布置,以形成明確的墻肢和連梁。

3)單片剪力墻的長度不宜過大。長度很大的剪力墻,剛度很大將使結構的周期過短,地震力太大而不經濟。當剪力墻處于受彎工作狀態時,才能有足夠的延性,故剪力墻應當是高細的,如果剪力墻長度太大時,將形成低寬剪力墻,就會因受剪而破壞,剪力墻呈脆性,不利于抗震。每個墻段的高寬比應不小于2,每個墻肢的寬度不宜大于8.0 m,以保證墻肢是由受彎承載力控制。因此,本工程中對于長度較大的橫向分戶墻,通過在適當位置開設結構洞(也是施工洞),將其劃分為高寬比大于2,延性較好的獨立墻段。

3 整體計算

剪力墻結構的內力與位移計算,應選擇與實際受力狀態相近的計算模型軟件進行結構分析。當時我們使用的中國建筑科學研究院2005版結構平面CAD軟件,對于混凝土結構,計算程序還不能考慮墻的坡度變化。因此電算建模時,只能將坡屋頂近似簡化成高度相當的平屋頂輸入。輸入頂層層高時,層高取頂層外縱墻高度與1/2山尖高度之和。建模時,頂層內墻門洞連梁截面高度均同五層相應位置連梁截面高度(層高與連梁高度之差即結構洞口高度)。外縱墻為坡屋面起坡處,窗洞連梁截面實際高度均不大,因此按建筑圖實際尺寸輸入。采用多層及高層建筑結構空間有限元分析與設計軟件的SAT-8對結構進行整體計算。

結構整體計算完成后,電算結果顯示,剪力墻墻肢軸壓比較小;結構彈性層間位移角限值遠小于抗震設計規范要求;墻體鋼筋基本是按構造要求配置的;各項結構設計指標均滿足相關要求。

4 抗震設計

1)限制墻肢軸壓比。按照《北京市建筑設計技術細則》(結構專業)關于多層剪力墻的規定,抗震等級為三級時,多層剪力墻結構中的一般剪力墻墻肢的軸壓比不宜超過0.25。本工程剪力墻墻肢最大軸壓比為0.26。

2)配置剪力墻邊緣構件。按照GB 50011-2001抗震規范6.4.6的規定,剪力墻兩端和洞口兩側應設置邊緣構件。本工程剪力墻抗震等級三級,可只設置構造邊緣構件。構造邊緣構件的范圍,可按抗震規范圖6.4.8采用,其配筋除應滿足計算要求外,還宜符合規范表6.4.8的要求。

3)設置底部加強部位。本工程為多層剪力墻結構,地下1層及地上1層按底部加強部位設計。

4)強剪弱彎。在大震作用下,為使墻肢及連梁實現強剪弱彎,避免發生脆性破壞,采用剪力增大系數調整墻肢底部加強部位的剪力計算值及連梁梁端截面組合的剪力計算值。

5 本工程的特殊情況

該工程是多層剪力墻結構,且平面剛度分布及荷載布置較均勻,因此各項結構設計指標均較容易滿足相關要求。頂層坡屋頂部分無躍層,按照建筑施工圖的設計,頂層內橫墻門口上皮至坡屋頂上皮之間的剪力墻高度較大,而內縱墻門口上皮至坡屋頂上皮之間的剪力墻高度竟高達2.99 m(該住宅臥室門洞口高度2.1 m)。如果沿襲標準層的做法,在頂層門口下皮至結構層上皮之間僅布置一根連梁,則該連梁截面高度可達2.99 m。而住宅臥室門口寬度僅為0.9 m,因此頂層連梁剛度太大,地震時極易破壞,是該工程結構設計過程中需要謹慎對待的問題。如何設計坡屋頂頂層門上高大的剪力墻連梁,規范及一般的參考書都未涉及適合此情況的具體做法。

本工程是這樣設計的:內橫墻及內縱墻建筑門洞上方設過梁一道,僅承受其上方用于填充結構洞的輕質隔墻荷載,因此按構造配筋即可。過梁之上開與之同寬的結構洞,其上沿坡屋頂設置洞口連梁。參照電算結果,其截面尺寸及配筋均同五層相應位置連梁。頂層洞口連梁設置如圖2,圖3所示。

6 結語

以往被廣泛應用于高層建筑的剪力墻結構,由于砌體結構高度受限,且黏土制品已禁止使用,以往被廣泛應用于高層建筑的剪力墻結構,目前也逐漸用于低層及多層建筑。在廣大的農村地區,正越來越多地涌現出類似于本文中的多層坡屋頂住宅。如何通過合理的結構設計,將此類工程做得既安全又經濟,是廣大業主的迫切希望,也是值得我們工程設計人員不斷探討的問題。

[1] 張維斌.多層及高層鋼筋混凝土結構設計釋疑及工程實例[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.