探究建筑设计中板柱构成适合高度

1.综述

由于板柱结构(无抗震墙者)抗震性能较差,北京市建筑设计院1992年出版的《结构专业技术措施》中规定,在抗震设防烈度为6度的地区,层数不能超过四层,房屋总高不能超过16m,7度区为三层及12m,8度区为二层及8m。(以上指未设抗震墙的板柱结构)新的抗震规范GB50011-2001对于板柱结构作了比较严格的规定,例如,对于适用最大高度,6、7、8度区分别为40,35,30米;抗震墙应能承担全部地震作用,板柱部分能额外承担全部地震作用的20%;沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋,有数量的要求(抗震规范6.6.9式)等等。

在抗震规范表6.1.1,现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度中,有板柱-抗震墙结构,但是没有不设抗震墙的板柱结构,它的意思是,不推荐采用不设抗震墙的板柱结构。

此外,目前有一种说法:抗震规范对于各种结构体系的房屋,都有一个“限制高度”,这是一个误解。的确,包括过去的抗震规范都提出了“适用的最大高度”,但这并不是“限制高度”,它的意思是,在使用该规范进行设计,并遵守规范的计算、构造等一系列要求,各种体系在各设防烈度时,该规范的适用范围,是多少高度。例如,在8度区,框架-抗震墙按该规范设计时,适用到100m高度。如果建筑物高度需要高于100m,就需采取比规范内容更严格的措施(包括计算与构造),并经过规定的审查,只要符合要求,是可以超过抗震规范表6.1.1中的高度的。总之,并无“限高”的说法。如果限制高度,只许建多少米,岂不是限制了科技的进步?

新抗震规范对于板柱抗震墙的适用高度,规定得较低,这对于一般的高层建筑,是远远不够用的。是否可以建得更高一些,可以根据从震害分析着手:

美国阿拉斯加四季公寓的倒塌,往往被认为是板柱-抗震墙性能不好的一个例证。但从林同炎事务所的分析报告来看,该工程的设计按100%地震力由核心筒来承担,在承载力方面也是足够的,只因施工单位在钢筋接头上未按规定施工,才造成严重破坏。

阿尔及利亚的倒塌事故,是由于该工程为纯板柱结构(楼板为双向密勒,无梁),层高较高,跨度也较大。此种结构不能抵抗地震是不足为奇的,也不提倡此类结构。

综上所述,板柱结构的破坏主要是:

①.未布置一定数量的抗震墙,因而地震作用全由板柱框架承受。由于未布置抗震墙,此种结构的节点刚度又相对较弱,因此侧向位移常较大。由于它延性差,抗弯和变形能力很弱,再加上P-⊿效应,在强震时造成严重破坏甚至倒塌是很可能的。

②.板柱节点处,楼板抗冲切能力差。在柱子周边板内,未设置抗冲切的钢筋,或设置得不恰当,节点处不平衡弯矩对楼板造成的附加剪应力未适当考虑,柱周边板的厚度不够,使抗剪箍筋不易充分发挥作用,或柱子纵筋在节点处滑移。

由于这些原因,在强震时使墙板产生冲切破坏,随之楼板坠落,造成巨大损失。明白了板柱的破坏原因,采取相应有效的措施之后,板柱-抗震墙结构的抗震性能,将能有很大的提高,其设计强度也将提高。

2.板柱-抗震墙的设计建议

2.1结构布置

2.1.1应布置足够数量的抗震墙(包括核心筒),墙的位置宜避免偏心。

2.1.2在房屋周边,应布置边梁,以形成周边框架。

2.1.3抗震墙的厚度不应小于180mm,且不应小于层高的1/20,底部加强部位的抗震墙厚度不应小于200mm,且不应小于层高的1/16(可取层高及无支长度二者中较小值计算)。

2.1.4单片抗震墙的两端应设置端柱,楼层处应设置暗梁。筒体墙的端部应设置端柱或暗柱,楼层处应设置暗梁。

2.1.5抗震等级的选用:可比抗震规范表6.1.1中之“板柱-抗震墙结构”一栏所规定者,提高一级,但原为一级者,不必提高(房屋高度不超过抗震规范中的规定时,抗震等级不必提高)。

2.2设计计算

2.2.1抗震墙(核心筒)应承担结构的全部地震作用,各层梁柱框架应能承担不少于各层全部地震作用的20%,也即,墙与框架承担的地震作用总和为120%的全部地震作用。板柱框架不考虑承受地震作用,但仍应按抗震构造。

2.2.2当房屋高度超过抗震规范表6.1.1之规定值时,其楼层的最大弹性层间位移角限值应取为1/1000。

2.2.3楼板在柱周边临界截面的冲切应力,宜控制在较低水平,一般不宜超过允许值0.7ft的75%。

2.2.4当地震作用能导致柱上板带的支座弯矩反号时,应验算图中虚线截面的冲切承载力。

2.2.5板柱结构在地震作用下按等代框架分析时,其等代梁的宽度采用:

①.框架方向跨度的3/4

②.垂直于等代框架方向柱距的1/2两者中的小值。

2.2.6沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋的总截面面积,应符合下式要求:AS≥NG/fy式中,AS——板底连续钢筋总截面面积。可按每方向1/2AS配置,此钢筋应位于柱截面范围内。NG——各层楼板传到柱子的轴压力,取设计值fy——该连续钢筋的抗拉强度设计值。

2.2.7应考虑由于板柱节点处的不平衡弯矩引起的附加剪应力。

2.3构造

2.3.18度时宜采用有托板的板柱节点,托板根部的厚度(包括板厚)不宜小于柱纵筋直径的16倍。托板的边长不宜小于4倍板厚及截面相映边长之和。7度时也宜尽可能设置托板。

2.3.2宜在柱上板带中设置暗梁。暗梁宽度可取柱宽及柱两侧各1.5倍板厚。暗梁支座上部钢筋面积应不小于柱上板带钢筋面积的50%(此钢筋可作为柱上板带负弯矩钢筋的一部分),暗梁下部钢筋不宜少于上部钢筋的1/2。

暗梁箍筋的配置:当计算不需要时,箍筋直径不小于8mm,间距≤3/4h0,肢距≤2h0;当计算需要时,箍筋直径按计算确定,但不小于10mm,间距≤0.5h0,肢距≤1.5h0,h0为板截面有效高度(不包括托板厚度)。

2.3.3柱上板带支座处暗梁的上部钢筋,至少1/4应在跨度方向通长。

2.3.4尽可能采用高效能的“抗剪栓钉”,以提高板柱结构的抗冲切性能。

3.结论

当设计及构造采取上述全部建议后,作者认为,此类结构的适用高度,可按抗震规范表6.1.1中框架-抗震墙结构取用。