某多層住宅結構設計中的特殊部位分析處理

周新

上海華東房產設計院有限公司 上海 201700

1 項目概況

本項目位于河南鄭州市鄭東新區(qū)，場地內共有19棟多層住宅。多層住宅地上5～6層，層高3.2～3.5m，地下三層，并與地下二層的車庫連為一體。

2 設計參數(shù)與結構體系

抗震設防烈度7度，0.15g，設計地震分組：第二組，場地土類別：III類。

基本風壓:0.45KN/m2，地面粗糙度B類。

結構體系：剪力墻結構，剪力墻厚度200mm，剪力墻長度1～3.0m。

3 結構設計需要特殊處理的部位

1、底層南北兩側采光井開洞較大，土對地下室約束有欠缺。

2、大空間部位，為保證凈高及空間靈活，不許設梁，按大板設計。

3、部分大板上有衛(wèi)生間部位要求采用降板做法，高差超出了國標圖集要求。

4、為防止外墻開裂并保證施工方便，業(yè)主要求外墻采用混凝土填充墻且與主體結構整澆。

5、建筑造型限制，對于超過1.5m的懸挑陽臺仍然需要按懸挑板設計。

6、本工程大開間部位板厚150～280mm，與之連接的剪力墻厚度僅200mm。特別對于外圍的一字型剪力墻而言比較不利。

4 針對特殊部位的結構設計

4.1 考慮采光井對結構的整體影響

根據(jù)建筑整體剖面，地下車庫頂板與單體住宅地下一層標高接近，因此單體的嵌固部位取地下一層樓層標高。采光井對本次嵌固部位的選取無影響。

采光井的影響主要體現(xiàn)南北向在土對建筑的約束上。因此，計算時按考慮地下一層土約束與不考慮土約束兩種情況進行包絡設計。結構構造上，適當加厚一層樓板的板厚，使其不小于150mm，并雙層雙向配筋。

4.2 大空間部位厚板設計

應業(yè)主要求，豎向構件圍合區(qū)域內盡量避免布置次梁。因此，形成若干短向6～9m的大板跨區(qū)域。一般而言，可采用空心樓蓋或預應力樓蓋，可以達到結構經濟合理的要求。但業(yè)主考慮施工簡便，明確要求采用常規(guī)的實心樓板。

由于厚板的自重較大，為防止厚板的撓度過大，對大板跨部位如下措施進行了設計：

1、按連續(xù)板設計。考慮到與厚板相連的梁的抗扭剛度及墻的平面外剛度較弱，為保證大板支座處彎矩的有效傳遞，加大相鄰板跨的厚度，相鄰板厚度取值與大板的厚度相同或接近。

2、計算時按有限元與手冊算法包絡設計，并考慮梁豎向剛度的影響。由于受凈高限制，大板周邊區(qū)域梁高度受限，梁與板的相對線剛度較小，無法達到不動支座的要求。如按常規(guī)計算，計算結果會有較大的偏差。因此，考慮梁的變形引起內力重分布，需要根據(jù)有限元計算結果校核。

3、明確施工階段的起拱要求。采用恒載工況，驗算樓板變形，并在施工階段按此變形值進行起拱，以抵消后期變形對樓面平整度的影響。

4.3 大跨度部位的折板設計

本項目衛(wèi)生間均采用同層排水，且部分衛(wèi)生間位于較大板跨區(qū)域，最大的板跨為6mx6m，為避免因衛(wèi)生間設置次梁而影響外側的空調出風口，應業(yè)主要求采用折板設計。

對于雙向板而言，折板高差較大時，會引起的較大的剛度突變。根據(jù)單向折板受力模型，當折板處可以完全傳遞彎矩時，折板與非折板的跨中彎矩值一致。因此，板跨較小且板面高差較小時，滿足《16G101-1》構造要求，可以按普通樓板簡化設計。然而，對于跨度較大的雙向板而言，板面高差較大時，形成剛度突變，是否對結構設計有影響，需要專門的分析。本項目采用了兩種方式對其進行分析論證。

方法1：采用有限元計算。用梁模擬折板的豎直段，本例板厚200，折板高差0.6m，計算結果如下圖所示：

由計算結果可見，樓板應力最大處位于折板轉角處，最大應力為3.6N/mm2，而未考慮折板的相應部位應力約0.5N/mm2，兩者比值為7.2倍。因此，按常規(guī)樓板設計誤差較大。

方法2：采用梁元法計算。板兩個方向分成若干板帶，本次板帶寬度取1.5m。其中，折板部位為Z型截面截面按工字型模擬輸入。本例板帶截面：1500x200，折板處截面：工800x850x200x200

方法1有限元計算結果

方法2梁元法計算結果

由上圖可見，對應的最不利處的折板彎矩M=35KNm。板帶截面為1500x200，板帶截面抵抗矩W=1500x2002/6=107mm3，板底應力f=M/W=35x106/107=3.5N/mm2，與有限元法計算結果基本一致。

分析結果與預計一致，應力集中部位一般位于折板形成的陽角部位。當折板板跨較大、高差較大時應進行補充分析計算，對應力集中區(qū)域進行加強處理。

4.4 全現(xiàn)澆外墻設計

針對次特殊要求，首先結構布置時，外墻盡可能的布置剪力墻，以減少填充墻的數(shù)量。但由于上下洞口無法對齊，且對于建筑的南北立面，建筑開洞的大小差別比較大。因此，需要布置一定的填充墻來調整整體剛度。但混凝土填充墻的剛度較大，且要求與主體結構整澆。為消除混凝土填充墻剛度過大的影響，構造上需要對進行剛度削弱。

全現(xiàn)澆外墻參考剪力墻設縫的方法，墻與墻及墻與梁之間設置20mm寬的縫，采用PVC板填充。由于現(xiàn)澆部分為外墻，保留50mm厚的連接體以達到防水目的。

由于填充墻與結構主體連接僅為50mm，極大的削弱了混凝土填充墻與主體結構的連接。但也正因為連接體的存在，填充墻提供的剛度不容忽視，因此，本工程計算時周期折減系數(shù)調整至0.8。

4.5 懸挑陽臺板設計

一般而言，對于懸挑跨度超過1.5m的陽臺，按懸挑梁受力設計。本工程陽臺懸挑跨度1.6～1.8m，由于建筑平立面的限制，需要采用懸挑板設計。由于懸挑板受力，對于鋼筋保護層厚度比較敏感，因此如何確保受力鋼筋的保護層厚度是確保安全的關鍵。本工程中，每隔一定間距設置鋼筋桁架（本項目桁架頂筋間距為400mm），以確保受力鋼筋的內力臂高度，避免施工中的不可控因素。

4.6 一字墻的加強處理

由于建筑限制，存在一定數(shù)量的一字墻，平面外剛度較弱。其布置區(qū)域一般在大開間部位兩側，以減少梁的跨度。然而，大開間部位按業(yè)主要求采用實心大板結構。雖然，樓板計算時進行了邊界鉸接處理，然而由于板面實配鋼筋的存在，當樓板變形時，對于邊跨墻而言，一字墻將變?yōu)閴簭潣嫾赡苁箟w優(yōu)先于樓板開裂。因此需要復核此部分墻的平面外強度，并適當加強其豎向筋配筋。

綜上所述，由于豎向壓力的存在，雖然墻體平面外存在彎矩，但是對于中間層的墻體，全截面處于受壓狀態(tài)，能保證其平面外受彎承載力大于板的受彎承載力，且在一字墻壓彎承載力安全范圍之內。而對于頂層，由于豎向力較小，且板傳來的彎矩較大，使墻體進入大偏壓狀態(tài)，豎向筋受拉，其配筋需要復核加強。

5 結語

多層住宅由于高度較低，安全風險較低，甲方往往比較輕視其安全性，而更追求使用功能及外觀效果。然而，不可忽視的是，住宅質量的問題是非常普遍的，糾紛也是比較多的。本文介紹了本項目單體設計中特殊部位的處理及分析方式，以盡可能減少結構開裂風險，確保住宅的結構質量。