兩層框架結(jié)構(gòu)住宅的抗震構(gòu)件截面尺寸分析比較

茹湖智 謝小妍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

1 引言

當前，農(nóng)村居民住宅建設(shè)存在較多安全隱患，遇到各種自然災(zāi)害時往往引起房屋倒塌、損壞等事故，如廣東、浙江等沿海地區(qū)就常有臺風(fēng)過后房屋倒塌的報道，根據(jù)《中國民政統(tǒng)計年鑒2011》，2010年由于臺風(fēng)造成的房屋倒塌數(shù)量就達到4.9萬間[1]。根據(jù)2001年發(fā)布的《建筑工程施工許可管理辦法》，對于工程投資額在30萬以下或建筑面積在300平方米以下的農(nóng)村居民住宅建筑工程，目前國家的相關(guān)法律規(guī)定在開工前是不需辦理施工許可證[2]。正因為沒有完善的規(guī)章制度監(jiān)督這些小型的建筑工程，同時也由于經(jīng)濟相對落后和缺乏防災(zāi)知識等原因，導(dǎo)致了農(nóng)村住宅建設(shè)過程中仍存在各種問題，如無正規(guī)設(shè)計、監(jiān)管力度不夠、施工缺乏指導(dǎo)、原材料不受控制、結(jié)構(gòu)布局隨意性大、整體性差等。當災(zāi)害發(fā)生時，首先發(fā)生破壞的往往是農(nóng)村住宅，因此，有必要對這部分的小型住宅加以研究，確定相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小尺寸，以指導(dǎo)農(nóng)村居民進行住宅建設(shè)。

2 廣東農(nóng)村地區(qū)小型框架結(jié)構(gòu)常見的建筑設(shè)計參數(shù)確定

2.1 文獻資料總結(jié)

為了推行新型農(nóng)村住宅建設(shè)，廣東曾編制了各種建筑圖集，如《嶺南新民居-廣東省社會主義新農(nóng)村住宅設(shè)計圖集》等[3]，通過收集各種農(nóng)村住宅建設(shè)建筑方案，發(fā)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)安全有關(guān)的重要建筑參數(shù)有住宅的開間、進深尺寸，房間的類型，建筑的布局等。

2.2 調(diào)查數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對各種圖集的詳細研究，并結(jié)合實際廣東農(nóng)村住宅的調(diào)查數(shù)據(jù)，對比分析得出目前在廣東農(nóng)村新建的小型框架結(jié)構(gòu)住宅的一些常用設(shè)計參數(shù)。南方地區(qū)由于天氣炎熱，為了使房屋更通風(fēng)涼爽，房間尺寸通常會略大一點，其中廚房、臥室的尺寸則比廳房的略小點。一般來說，房間常用的開間多為3.3m、3.6m、3.9m、4.2m、4.5m、4.8m等，進深則要比開間略大，多為4.2m、4.5m、4.8m、5.1m、5.4m甚至6m以上等，而層高則多為3m、3.3m、3.6m等。

由于廣東各地區(qū)的地形地貌不盡相同，導(dǎo)致了住宅風(fēng)格也存在差異，在建筑布局上有著各自的特點。對于新建的房屋，多為框架結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)，其布局上更多的是開間、進深的不同，房間的類型則大同小異，基本可以分為口字型，田字形，日字型等簡化的建筑布局，在相同風(fēng)荷載、地震荷載等作用下，田字形的建筑布局是對柱、梁、板的尺寸選取影響較大，因此本文選取田字形平面布置的房屋進行分析比較。

3 不同層高下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸分析比較

現(xiàn)取其中一個常用的開間3.6m，進深4.5m，并以一個簡化的建筑布局如圖1，利用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，進行建模分析。在考慮樓梯布置對框架結(jié)構(gòu)的影響下，并在滿足各種周期比、層間位移、撓度、裂縫、軸壓比等規(guī)范要求的條件下，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，按正常使用極限狀態(tài)進行驗算，研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小截面尺寸。

3.1 基本參數(shù)

設(shè)模型地區(qū)在廣州，抗震設(shè)防烈度為7度，抗震等級為三級，環(huán)境類別為一類，場地類別為Ⅱ類，基本風(fēng)壓為0.5KN/m2，按普通的住宅建筑做法，柱梁板采用現(xiàn)澆混凝土，混凝土強度等級為C25，墻體材料采用實心灰砂磚，外墻厚度180mm，內(nèi)墻厚度120mm，計算樓板、梁、樓梯等荷載。樓面恒載按普通裝修做法計算，梁恒載按實心灰砂磚墻取線荷載等；對于活荷載，取樓面活荷載為2KN/m2，屋頂按上人屋頂設(shè)計，取2KN/m2，樓梯間取3.5KN/m2。

3.2 利用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件建模分析

當層高為3m時，經(jīng)PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件建模分析，并調(diào)整控制之后，得柱梁板的最小截面尺寸如表1。此時通過SATWE分析結(jié)果圖形和文本顯示可知，當調(diào)整為表1的尺寸的情況下，部分結(jié)果分析達到接近限值的要求。其中，樓板的最大撓度為17.46mm，小于撓度限值3600/200=18mm；上人屋頂?shù)淖畲髶隙葹?7.11mm，小于18mm；柱的最大軸壓比為0.83，小于軸壓比限值0.85；梁的最大撓度為22.1mm，小于梁撓度限值4500/200=22.5mm；結(jié)構(gòu)的最大層間位移為1/961，小于規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移1/550；周期比為0.8351，小于規(guī)范中扭轉(zhuǎn)第一周期不應(yīng)大于平動第一周期的0.9，以上限值均滿足規(guī)范要求。加大角柱和外邊梁的尺寸，是為了控制第一、第二振型為平動，使周期比滿足規(guī)范。

當層高為3.3m時，經(jīng)PKPM建模分析，并調(diào)整之后，得柱梁板的最小截面尺寸如表1所示。此時部分結(jié)果分析如下：樓板的最大撓度為17.46mm，小于撓度限值3600/200=18mm；上人屋頂?shù)淖畲髶隙葹?7.11mm，小于18mm；柱的最大軸壓比為0.79，小于軸壓比限值0.85；梁的最大撓度為21.4mm，小于梁撓度限值4500/200=22.5mm；結(jié)構(gòu)的最大層間位移為1/962，小于規(guī)范中框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移1/550；周期比為0.8545，小于規(guī)范中扭轉(zhuǎn)第一周期不應(yīng)大于平動第一周期的0.9，以上限值均滿足規(guī)范要求。

按照此計算分析方法，對于一些層高較大的兩層小型框架結(jié)構(gòu)住宅，同樣可計算出其界面尺寸。如當層高為3.6m和4.2m時的柱梁板的最小截面尺寸，如表1所示：

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸

4 與設(shè)計規(guī)范構(gòu)造尺寸要求的對比分析

在相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，對框架結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)最小截面尺寸都有相應(yīng)的約束。在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，柱截面的寬度和高度，當抗震強度為四級或不超過2層時不宜小于300mm，一、二、三級且超過2層時不宜小于400mm；梁的截面尺寸，寬度不宜小于200mm，截面高度比不宜大于4，凈跨與截面高度之比不宜小于4；板的厚度，對于單向板，屋面板和樓板的最小厚度為60mm，對于雙向板，最小厚度為80mm。

從表1可知道，當兩層框架結(jié)構(gòu)采用開間進深為3.6m×4.5m，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸在不同層高下，會有所不同。其中梁板的最小截面尺寸都大于規(guī)范中要求的最小截面尺寸，主要是因為本文的研究設(shè)計主要是針對特定常見的一種開間進深，并且由于選擇的建筑布局方案也對梁板的撓度影響較大。而部分柱的截面尺寸要小于規(guī)范中的適宜尺寸，究其原因，主要是規(guī)范是為了使設(shè)計住宅能處于更安全的狀態(tài)，而本文在研究設(shè)計時，考慮的是住宅在此尺寸之下，抗震性能較接近于危險的情況，各項指標接近于規(guī)范中控制指標的限值之內(nèi)，如位移比，周期比等等，但仍然滿足規(guī)范要求。這也是目前一兩層小型框架結(jié)構(gòu)住宅在實際的建設(shè)當中，仍會有人使用比規(guī)范小的柱截面尺寸，卻并沒有導(dǎo)致房屋坍塌的原因之一。

綜上所述，通過表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著層高的增大，由于荷載的增加，梁柱的截面尺寸也會相應(yīng)增加。由于規(guī)范當中要求必須考慮樓梯的斜撐作用對框架結(jié)構(gòu)的影響，在布置樓梯之后，兩層的框架結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計時，容易出現(xiàn)第一、第二振型為扭轉(zhuǎn)，為了控制其周期比滿足規(guī)范要求，需要相應(yīng)的加大角柱、邊柱、邊梁等外圍結(jié)構(gòu)的剛度，適當削弱結(jié)構(gòu)中間墻、柱的剛度。

因而，當兩層小型的框架結(jié)構(gòu)使用這樣的3.6m開間，4.5m進深時，并且建造的環(huán)境材料等方面因素是與本文建模的條件相近時，只要結(jié)構(gòu)截面尺寸按規(guī)范構(gòu)造要求選取，如布置柱的最小尺寸為300mm×300mm，梁的尺寸選取200mm×400mm，樓面板的最小尺寸為80mm，上人屋面板的最小尺寸為100mm，同時適當增大角柱、邊柱、外邊梁的尺寸，適當增大與樓梯間相鄰較大跨度板的板厚或增加布置次梁，符合安全使用要求。

結(jié)論

通過文獻資料分析和調(diào)研結(jié)果分析，歸納農(nóng)村居民住宅中常用的建筑設(shè)計參數(shù)，利用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，對不同層高下的兩層小型框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸進行計算，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范標準對比分析，得出兩層小型框架結(jié)構(gòu)在一定的開間和進深范圍內(nèi)，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸只要滿足規(guī)范構(gòu)造要求，即符合安全使用要求，結(jié)果可為農(nóng)村居民住宅建設(shè)提供參考。

[1]中國民政統(tǒng)計年鑒2011[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2011.

[2]建筑工程施工許可管理辦法[S].中華人民共和國建設(shè)部，2001.

[3]廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳，廣東省文明辦.嶺南新民居-廣東省社會主義新農(nóng)村住宅設(shè)計圖集[M].廣東：嶺南美術(shù)出版社，2010.