PKPM軟件在漢源新縣城底部框架房屋結構抗震設計中應用的若干心得

楊 科

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院,四川 成都 610072)

1 前 言

四川漢源新縣城屬于瀑布溝水電站移民安置工程,工程設計不僅要滿足國家現行相關建筑結構規范、規程,而且要符合相應的移民安置政策;加之工程所在地漢源為“5.12汶川大地震”重災區(地震中底部框架房屋破壞最為嚴重),這對如何安全適用、經濟合理地完成本工程設計提出了新的挑戰。

根據移民政策新縣城的臨街房屋的底部一層用于布置鋪面,上部幾層用于移民安置住房,故漢源新縣城底部框架房屋主要結構形式為底部一層的鋼筋混凝土框架—抗震墻結構、上部 2～5層砌體墻承重的多層房屋。

底部框架房屋的計算方法已經為大家所熟悉,針對漢源新縣城的工程特點,本文著重探討在應用PKPM軟件進行底部框架房屋結構抗震設計時應注意的幾個問題。

2 地震信息輸入中的問題

2.1 參數輸入

在設計過程中筆者發現,在 PMCAD主菜單①中交互式輸入不同的地震分組和場地類別信息,其砌體抗震計算結果卻是一樣的。圖 1為 PMCAD主菜單①PM交互式輸入設計參數對話框地震信息頁的輸入參數。后經分析得知,設計交互式輸入適用于各種類型結構的建模,其參數輸入要兼顧各種結構。對于多、高層鋼筋混凝土結構和鋼結構,采用振型分解法計算地震作用,地震影響系數由地震烈度、場地類別、設計地震分組等參數確定;對于砌體結構,采用底部剪力法計算地震作用,地震影響系數取最大值 αmax,而 αmax僅與地震烈度有關,與場地類別、設計地震分組無關。

圖1 對話框地震信息的輸入參數

圖2為 PMCAD主菜單⑧磚混結構抗震及其他計算砌體結構計算數據對話框中的輸入參數。在該對話框中,與地震有關的參數僅有地震烈度一個,說明砌體結構抗震計算僅需要這一個參數。所以,當地震烈度確定后,在交互輸入中輸入的場地類別、設計地震分組參數在砌體結構抗震計算中不起作用。

2.2 地震影響系數

根據《漢源縣城新址場地地震安全性評價報告》(四川省地震局工程地震研究所),本工程批準的地震加速度值為 0.183g,高于 7.5度時的地震加速度值0.15g,低于 8度時的地震加速度值 0.20g。按照《建筑抗震設計規范》表3.2.2抗震設防烈度和設計基本地震加速度值的對應關系,通過線性插值得本工程抗震設防烈度為 7.83。如何在軟件抗震設計中合理體現地震影響系數成為棘手的問題,因為目前的軟件無法直接輸入此特殊系數,加之以往的設計中也極少遇類似情況。后經研究軟件得知,新版(07版)軟件可以解決此問題,且此系數需要在底部框架房屋的上部砌體和底部框架抗震設計中分別體現。

在上部砌體抗震設計中地震烈度輸入 7.83,程

圖2 PMCAD主菜單⑧對話框中的輸入參數

3 上部砌體墻抗剪不足的問題

式中γRE為承載力抗震調整系數,一般取 1.0,當墻體兩端均有構造柱時,取 0.9,自承重墻取 0.75;ηc為墻體約束修正系數,一般情況取 1.0,構造柱間距不大于 2.8m時取 1.1;A為墻體橫截面面積,多孔磚取毛截面面積;Ac為中部構造柱的橫截面總面積(對橫墻和內縱墻,Ac＞0.15A時,取 0.15A;對外縱序根據輸入的地震烈度按以下插值公式計算水平地震影響系數最大值:

式中 αmax——水平地震影響系數最大值;

X——地震烈度。

通過線性插值得 αmax=0.146。

圖3 SAT-8地震信息交互輸式

而底部框架抗震設計采用的計算模塊為 SAT-8模塊,在 SAT-8主菜單①中可完成地震信息的交換式輸入(見圖3)。墻 Ac＞0.25A時取 0.25A);ζ為中部構造柱參與工作系數,居中設一根時取 0.5,多于一根時取 0.4;ft為中部構造柱的混凝土軸心抗拉強度設計值;fy為構造柱縱向鋼筋抗拉強度設計值;As為中部構造柱的縱向鋼筋截面總面積(配筋率不小于 0.6%,大于1.4%時取 1.4%)。

對兩式分析后不難發現,提高墻體抗剪承載力措施可以從以下方面入手:(1)增加墻體橫截面積;(2)提高砂漿強度等級(提高 fv);(3)在大片墻兩端設構造柱(γRE取 0.9);(4)增加中部構造柱截面面積(增加構造柱或增大已有構造柱的截面尺寸);(5)提高構造柱混凝土強度等級、增加構造柱鋼筋面積、提高構造柱鋼筋強度等級等。此外,采用配筋砌體也可以解決墻段抗剪不足的問題。

同時,從《砌體規范》表3.2.2中可以發現:(1)當砂漿強度等級大于 M 10時,砌體的抗剪強度設計值不再提高,與砂漿強度等級等于 M 10時相同;(2)沿砌體灰縫截面破壞時,砌體的抗剪強度設計值與塊體強度等級無關。

4 底層抗震墻的超筋問題

進行底部框架房屋結構設計時很多人都發現,鋼筋混凝土抗震墻設計中很容易超筋,本工程也不例外。超筋的原因是抗震墻數量過少,但是增加抗震墻數量又可能使側向剛度比不滿足規范要求。底框結構底部抗震墻的數量由構造要求和層間剛度比控制。抗震墻的側移剛度由剪切剛度和彎曲剛度組成,而彎曲剛度與墻寬的立方成正比,因此墻體越寬,需要的墻體數量就越少。但是,墻體越少,每片墻的內力就越大,就越容易超筋。

由于底部抗震墻的高度較低(一層或兩層),墻體較寬時容易形成破壞形式為剪切破壞的低矮抗震墻,為此,《抗震規范》7.5.5條作出了底部抗震墻宜開設洞口形成若干墻段,各墻段的高寬比不宜小于2的規定。對不便開設洞口的底層框架—抗震墻房屋的底層帶邊框抗震墻,應在墻中設置豎縫使墻體分成兩個或三個高寬比大于 1.5的墻板單元。

一般大家多會采用在較長的抗震墻上開設洞口的方法來削弱抗震墻的剛度以增加抗震墻的數量(見圖4)。這當然是一個很有效的辦法,但是必須特別注意,PMCAD目前的版本對帶洞口鋼筋混凝土抗震墻均按小洞口墻處理,即洞口影響系數 α大于或等于 0.6或洞口高度大于或等于 0.8倍層高時應將洞口兩側墻段按照獨立墻體輸入,否則就不滿足 PMCAD的計算假定而使計算結果失真。

除了在抗震墻上開設洞口的方法外,還可以采用在抗震墻上開設豎縫的辦法來削弱,縫將墻體分成兩個或數個高寬比小于 1.5的墻板單元(水平鋼筋在豎縫處斷開)。根據筆者的經驗,這一方法快速有效,可大大減少調整抗震墻的工作量。

圖4 抗震墻開洞示意

5 其 他

雖然在 6.7度區總層數不超過 5層的底部框架房屋允許采用嵌砌在框架間的砌體抗震墻,但本次設計筆者并沒有采用,而是采用了鋼筋混凝土抗震墻。這是因為此類結構房屋在使用期間往往監管不到位,使業主(移民)可以任意將底層的砌體抗震墻作為填充墻拆除,使底層變為純框架結構,對建筑的抗震設防極為不利,而此種案例并不鮮見。

6 結束語

底部框架房屋結構是一種較復雜的結構體系,涉及規范條文較多,本文僅針對漢源新縣城底部框架房屋結構設計特點,對 PKPM軟件在應用設計中所遇到的問題提出筆者的認識和建議,供參考。

[1]陳岱林,金新陽.張志宏.砌體結構 CAD原理及疑難問題解答[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.

[2]中華人民共和國建設部.GB50011-2001《建筑抗震設計規范 》[S].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[3]中華人民共和國建設部.GB50003-2001《砌體結構設計規范》[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[4]蔡紅衛.淺析底部框架抗震墻磚房抗震設計[J].山西建筑,2006(6).