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砌体结构在设计中常见问题解析
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内容提示：在我国的多层住宅建筑中,砌体结构房屋以其诸多优势深受甲方及业主认可,在各种结构形式的房屋中占有相当大的比例。笔者结合设计经验,就砌体结构设计时设计人员在软件使用、设计绘图和规范理解等方面常遇到的问题进行了较为详细分析和阐述,以保证结构设计结果的正确性和可靠性。
在我国的多层住宅建筑中,砌体结构房屋以其造价低廉,施工方便和容积率低等优势深受甲方及业主认可,在各种结构形式的房屋中占有相当大的比例,绝大部分设计院都在使用PKPM系列软件进行辅助设计。这种结构形式虽然在设计实践中应用较多,但是也存在一些应注意的问题,现就砌体结构设计时设计人员应注意的几个问题进行了阐述。（参考《建筑中文网》）
1 软件使用
在2008版的PKPM结构软件中,与砌体结构相关的建模计算绘图等都设置在QITI模块中,其中建模部分的操作与PMCAD主菜单1基本相同。在使用QITI模块建模时,2008版PKPM软件提供了构造柱选项,这使得在建模时可以输入混凝土构造柱,从而真实模拟砌体结构的实际情况。
在以往的设计中,结构设计人员通常将梯板厚度设置为零,把楼梯荷载换算成房间面荷载由程序导算成作用在楼梯间周边杆件上的荷载,梯板、平台板等构件内力单独计算,并未考虑楼梯与整体结构的共同作用,这其实是不妥当的。汶川地震震后场景尤其是楼梯间的大量破坏令我们触目惊心,在实际情况中考虑到楼梯的梯板等具有斜撑的受力状态,对结构的整体刚度有较明显的影响,宜在结构计算中予以适当考虑[1]。2008版PKPM软件提供了梯板按斜梁建模输入以使楼梯参与结构整体抗震计算的功能,通过与以往的楼梯间简化建模方式进行计算比较可知,楼梯构件对结构刚度有一定贡献,尤其对砌体,框架结构的影响较大,对框剪、剪力墙结构的影响相对较小,视结构抗侧构件刚度与数量而异。[2]此外,在楼梯段上下端对应墙体处应增加四根构造柱,与在楼梯间四角设置的构造柱合计有八根构造柱,再与楼层半高处的钢筋混凝土带等可构成应急疏散安全岛。
在进行梁配筋计算时,许多结构设计人员通常直接使用SATWE进行计算,这是不合适的。在真实受力情况中,砌体结构中的梁与承重砖墙的实际关系为简支,这与框架结构中梁柱之间为刚接的情况不同,所以在计算时,应在SATWE模块中的“接PM生成SAT-WE数据”选项的子选项“特殊构件补充定义”中将梁设置为梁端铰接,从而保证梁构件的挠度及下铁配筋,剪力墙结构亦应如此。
作用在楼面上的活荷载,不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上,因此在设计梁、墙、柱和基础时,还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况,也即在确定梁、墙、柱和基础的荷载标准值时,还应按楼面活荷载标准值乘以折减系数后取用,故建筑结构在进行柱、墙设计时,应对其承受的活荷载进行折减。点选后,程序根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》4·1·2条2款对活载折减。许多结构设计人员,尤其是年轻的设计人员通常不加思考点选“折减柱、墙设计时的活荷载”,这是不合适的。GB50009-2001《建筑结构荷载规范》表4·1·2活荷载按楼层的折减系数只适用于住宅、办公楼、宿舍等小开间房间的折减,对于商场来说则不安全,这点应引起注意;另外,在PM模块的第三项“楼面荷载传导计算”中也有“荷载折减”,两处若都选折减,则荷载折减系数会累加,即在PM中折减过的荷载会在SATWE中再次折减,这样同样会导致结构不安全。同样,在进行基础设计时需对活荷载进行折减,设计人员往往以为在SATWE中点选“折减传给基础的活荷载”便可折减,这同样是一个误区。SAT-WE程序传到基础软件的荷载实际上都是按标准值传递的,所以“折减传给基础的活荷载”这一项对基础软件的荷载值不起作用。该项只对SATWE软件的“基础设计荷载简图”中的最大组合内力起作用。用户如果要考虑传给基础的活荷载折减需在JCCAD中的荷载参数定义里的“活荷载按楼层折减系数”填入。
基础设计时有些结构设计人员基于习惯通常在JCCAD的“基础人机交互选项”中的“读取荷载”子项中选择读取全部荷载,这一点是值得商榷的。对于框架,框剪及剪力墙结构应选择读取全部荷载(包括SATWE荷载),而对于砌体结构并无抗震等级而言,在SATWE第二步“结构内力,配筋计算”时软件将承重砖墙简化为混凝土墙,此时在JCCAD中若选择读取全部荷载,这就会使软件将砌体结构中的承重砖墙按照混凝土结构中的混凝土墙进行计算并考虑各抗侧力构件刚度将地震作用进行分配,这就与实际情况相差甚远从而导致安全隐患,因为砌体承重砖墙实际是不参与抗震的,正确做法是只读取PM恒、活标准荷载进行基础设计,这与QITI模块中的竖向导荷结果是相吻合的。
2 设计绘图
出于保护耕地和环境的目的,建设部出台了关于全面禁止使用烧结粘土砖的一系列规定,以蒸压粉煤灰实心砖为代表的新型墙体材料得以广泛应用。6、7度时采用蒸压粉煤灰实心砖砌体的房屋,当砌体的抗剪强度不低于粘土砖砌体的70%时,房屋的层数应比粘土砖房屋减少一层,高度应减少3m,且钢筋混凝土构造柱应按增加一层的层数所对应的粘土砖房屋设置,其他要求可按粘土砖房屋的相应规定执行[1,3],这一点不应被结构设计者忽视。此外,蒸压粉煤灰实心砖强度等级应尽量使用最低的MU10,因为砖场(尤其是北方地区)出厂的蒸压粉煤灰实心砖的强度等级一般很难做到MU15,如果设计时采用MU15则不宜买到,部分施工单位可能用MU10的蒸压粉煤灰实心砖以次充好代替,从而造成安全隐患。
建设单位出于成本控制考虑,对每m2的含钢量有较高的控制要求,根据工程经验,7度区的多层砌体结构含钢量不宜大于30kg/m2,多层住宅的开间一般均较小,楼板板底钢筋基本上按照最小配筋率配置即可满足挠度及裂缝的要求[4]。对于边跨板的支座根据边界条件可知受力情况为简支,所以边跨板支座负筋一般配置8@200满足最小配筋率即可,对于屋面板而言由于荷载较大,板厚一般为120mm,此时屋面板采用三级钢8@200双层双向配置基本可满足挠度裂缝及最小配筋率的要求。部分板支座负筋不够时可以配置附加钢筋,这样设计对含钢量的控制效果较为理想,对控制建设成本及满足甲方要求也有很好的意义。
多层住宅一般每户均设置有室外阳台,混凝土强度等级应为C30,悬挑板保护层与室内板构件相比应增加10mm。挑板厚度的确定,一般经验为静挑跨度的1/12~1/10,后者用于轻挑板,为了方便记忆,只须记住1/10即可,这是针对荷载标准值为15kN/m2左右的取值。此外,挑板在一般民用荷载下,最大悬挑尺寸对年轻结构师来说应该有个量的概念,一般经验认为,挑板最大净挑尺寸不宜超过1·5m,但笔者曾在几个工程中作过1·8~2·0m的普通混凝土挑板,均未作预应力,所以1·5m只是一个大概的量,笔者认为可以适当突破至2·0m左右。根据几年来所作工程,归纳出了下面一张挑板在常见悬挑尺寸下板厚和配筋的取值表格(表1),以供参考,以期在工程实践中可直接利用,以提高设计效率。
悬挑构件的设计不应过分追求经济,不该冒进,构件荷载估计大些,配筋配大些是明智之举。悬挑构件的安全储备应该比常规构件大些,因为其并非几次超静定结构,支座一旦坏了,就会一下子塌下来。所以一般算出来配筋是多少,要乘以足够大的放大系数,配筋配大些。挑板板厚一旦确定后,与其相邻的作为支座的板块板厚应尽量与之相同或接近,厚度不宜小很多(一般厚度差值宜≤40mm),否则挑板相邻的支座板块与挑板相接处,要在构造上加腋以平衡内外的负弯矩,同时也避免了挑板支座梁受扭或剪力墙的平面外受弯矩。此外,挑板下铁虽然正弯矩为0,可以按照最小配筋率0·2%配下铁,但对大挑板下铁应配置足够的受压钢筋,以减少因板徐变而产生附加的挠度,一般下铁配筋为上铁的1/3~1/2,而且间距为150mm左右(间距稍密些,为了混凝土板抗裂)。
与框架、剪力墙等结构相比,多层住宅一般每个单元中的户型均为一致,在绘制结构施工图时可以采用绘制单元的方法将相同的单元户型绘制在一起,例如一座拥有六个相同单元的住宅,只需绘制一个单元轴号重叠标注即可,对于边跨单元支座部分可以单独绘制,节点绘制时宜先将同一个节点制作为块,修改时使用CAD中的块参照编辑命令,可以达到批量修改的效果,极大地提高了施工图纸绘制效率。若住宅座落在坡地上,在图纸上标明不同的结构标高即可。值得注意的是,多层砌体房屋若因建筑功能要求错层时,当相邻楼盖高差不大于1/4层高且不大于0·8m时,错层交界处的墙体,除两侧楼盖处圈梁照常设置外,还应沿墙长每隔不大于2m增设一根墙中构造柱,以提高砌体房屋的整体抗震性能[5]。
3 规范理解
规范是设计的理论依据,正确理解和使用结构规范对于每个结构设计人员的重要意义是不言而喻的。许多年轻的结构师对于GB50003-2001《砌体结构设计规范》不甚了解,笔者就应用GB50003-2001《砌体结构设计规范》在设计中常遇到的几个令人困惑的问题进行分析和阐述。
1 软件使用
在2008版的PKPM结构软件中,与砌体结构相关的建模计算绘图等都设置在QITI模块中,其中建模部分的操作与PMCAD主菜单1基本相同。在使用QITI模块建模时,2008版PKPM软件提供了构造柱选项,这使得在建模时可以输入混凝土构造柱,从而真实模拟砌体结构的实际情况。
在以往的设计中,结构设计人员通常将梯板厚度设置为零,把楼梯荷载换算成房间面荷载由程序导算成作用在楼梯间周边杆件上的荷载,梯板、平台板等构件内力单独计算,并未考虑楼梯与整体结构的共同作用,这其实是不妥当的。汶川地震震后场景尤其是楼梯间的大量破坏令我们触目惊心,在实际情况中考虑到楼梯的梯板等具有斜撑的受力状态,对结构的整体刚度有较明显的影响,宜在结构计算中予以适当考虑[1]。2008版PKPM软件提供了梯板按斜梁建模输入以使楼梯参与结构整体抗震计算的功能,通过与以往的楼梯间简化建模方式进行计算比较可知,楼梯构件对结构刚度有一定贡献,尤其对砌体,框架结构的影响较大,对框剪、剪力墙结构的影响相对较小,视结构抗侧构件刚度与数量而异。[2]此外,在楼梯段上下端对应墙体处应增加四根构造柱,与在楼梯间四角设置的构造柱合计有八根构造柱,再与楼层半高处的钢筋混凝土带等可构成应急疏散安全岛。
在进行梁配筋计算时,许多结构设计人员通常直接使用SATWE进行计算,这是不合适的。在真实受力情况中,砌体结构中的梁与承重砖墙的实际关系为简支,这与框架结构中梁柱之间为刚接的情况不同,所以在计算时,应在SATWE模块中的“接PM生成SAT-WE数据”选项的子选项“特殊构件补充定义”中将梁设置为梁端铰接,从而保证梁构件的挠度及下铁配筋,剪力墙结构亦应如此。
作用在楼面上的活荷载,不可能以标准值的大小同时布满在所有的楼面上,因此在设计梁、墙、柱和基础时,还要考虑实际荷载沿楼面分布的变异情况,也即在确定梁、墙、柱和基础的荷载标准值时,还应按楼面活荷载标准值乘以折减系数后取用,故建筑结构在进行柱、墙设计时,应对其承受的活荷载进行折减。点选后,程序根据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》4·1·2条2款对活载折减。许多结构设计人员,尤其是年轻的设计人员通常不加思考点选“折减柱、墙设计时的活荷载”,这是不合适的。GB50009-2001《建筑结构荷载规范》表4·1·2活荷载按楼层的折减系数只适用于住宅、办公楼、宿舍等小开间房间的折减,对于商场来说则不安全,这点应引起注意;另外,在PM模块的第三项“楼面荷载传导计算”中也有“荷载折减”,两处若都选折减,则荷载折减系数会累加,即在PM中折减过的荷载会在SATWE中再次折减,这样同样会导致结构不安全。同样,在进行基础设计时需对活荷载进行折减,设计人员往往以为在SATWE中点选“折减传给基础的活荷载”便可折减,这同样是一个误区。SAT-WE程序传到基础软件的荷载实际上都是按标准值传递的,所以“折减传给基础的活荷载”这一项对基础软件的荷载值不起作用。该项只对SATWE软件的“基础设计荷载简图”中的最大组合内力起作用。用户如果要考虑传给基础的活荷载折减需在JCCAD中的荷载参数定义里的“活荷载按楼层折减系数”填入。
基础设计时有些结构设计人员基于习惯通常在JCCAD的“基础人机交互选项”中的“读取荷载”子项中选择读取全部荷载,这一点是值得商榷的。对于框架,框剪及剪力墙结构应选择读取全部荷载(包括SATWE荷载),而对于砌体结构并无抗震等级而言,在SATWE第二步“结构内力,配筋计算”时软件将承重砖墙简化为混凝土墙,此时在JCCAD中若选择读取全部荷载,这就会使软件将砌体结构中的承重砖墙按照混凝土结构中的混凝土墙进行计算并考虑各抗侧力构件刚度将地震作用进行分配,这就与实际情况相差甚远从而导致安全隐患,因为砌体承重砖墙实际是不参与抗震的,正确做法是只读取PM恒、活标准荷载进行基础设计,这与QITI模块中的竖向导荷结果是相吻合的。
2 设计绘图
出于保护耕地和环境的目的,建设部出台了关于全面禁止使用烧结粘土砖的一系列规定,以蒸压粉煤灰实心砖为代表的新型墙体材料得以广泛应用。6、7度时采用蒸压粉煤灰实心砖砌体的房屋,当砌体的抗剪强度不低于粘土砖砌体的70%时,房屋的层数应比粘土砖房屋减少一层,高度应减少3m,且钢筋混凝土构造柱应按增加一层的层数所对应的粘土砖房屋设置,其他要求可按粘土砖房屋的相应规定执行[1,3],这一点不应被结构设计者忽视。此外,蒸压粉煤灰实心砖强度等级应尽量使用最低的MU10,因为砖场(尤其是北方地区)出厂的蒸压粉煤灰实心砖的强度等级一般很难做到MU15,如果设计时采用MU15则不宜买到,部分施工单位可能用MU10的蒸压粉煤灰实心砖以次充好代替,从而造成安全隐患。
建设单位出于成本控制考虑,对每m2的含钢量有较高的控制要求,根据工程经验,7度区的多层砌体结构含钢量不宜大于30kg/m2,多层住宅的开间一般均较小,楼板板底钢筋基本上按照最小配筋率配置即可满足挠度及裂缝的要求[4]。对于边跨板的支座根据边界条件可知受力情况为简支,所以边跨板支座负筋一般配置8@200满足最小配筋率即可,对于屋面板而言由于荷载较大,板厚一般为120mm,此时屋面板采用三级钢8@200双层双向配置基本可满足挠度裂缝及最小配筋率的要求。部分板支座负筋不够时可以配置附加钢筋,这样设计对含钢量的控制效果较为理想,对控制建设成本及满足甲方要求也有很好的意义。
多层住宅一般每户均设置有室外阳台,混凝土强度等级应为C30,悬挑板保护层与室内板构件相比应增加10mm。挑板厚度的确定,一般经验为静挑跨度的1/12~1/10,后者用于轻挑板,为了方便记忆,只须记住1/10即可,这是针对荷载标准值为15kN/m2左右的取值。此外,挑板在一般民用荷载下,最大悬挑尺寸对年轻结构师来说应该有个量的概念,一般经验认为,挑板最大净挑尺寸不宜超过1·5m,但笔者曾在几个工程中作过1·8~2·0m的普通混凝土挑板,均未作预应力,所以1·5m只是一个大概的量,笔者认为可以适当突破至2·0m左右。根据几年来所作工程,归纳出了下面一张挑板在常见悬挑尺寸下板厚和配筋的取值表格(表1),以供参考,以期在工程实践中可直接利用,以提高设计效率。
悬挑构件的设计不应过分追求经济,不该冒进,构件荷载估计大些,配筋配大些是明智之举。悬挑构件的安全储备应该比常规构件大些,因为其并非几次超静定结构,支座一旦坏了,就会一下子塌下来。所以一般算出来配筋是多少,要乘以足够大的放大系数,配筋配大些。挑板板厚一旦确定后,与其相邻的作为支座的板块板厚应尽量与之相同或接近,厚度不宜小很多(一般厚度差值宜≤40mm),否则挑板相邻的支座板块与挑板相接处,要在构造上加腋以平衡内外的负弯矩,同时也避免了挑板支座梁受扭或剪力墙的平面外受弯矩。此外,挑板下铁虽然正弯矩为0,可以按照最小配筋率0·2%配下铁,但对大挑板下铁应配置足够的受压钢筋,以减少因板徐变而产生附加的挠度,一般下铁配筋为上铁的1/3~1/2,而且间距为150mm左右(间距稍密些,为了混凝土板抗裂)。
与框架、剪力墙等结构相比,多层住宅一般每个单元中的户型均为一致,在绘制结构施工图时可以采用绘制单元的方法将相同的单元户型绘制在一起,例如一座拥有六个相同单元的住宅,只需绘制一个单元轴号重叠标注即可,对于边跨单元支座部分可以单独绘制,节点绘制时宜先将同一个节点制作为块,修改时使用CAD中的块参照编辑命令,可以达到批量修改的效果,极大地提高了施工图纸绘制效率。若住宅座落在坡地上,在图纸上标明不同的结构标高即可。值得注意的是,多层砌体房屋若因建筑功能要求错层时,当相邻楼盖高差不大于1/4层高且不大于0·8m时,错层交界处的墙体,除两侧楼盖处圈梁照常设置外,还应沿墙长每隔不大于2m增设一根墙中构造柱,以提高砌体房屋的整体抗震性能[5]。
3 规范理解
规范是设计的理论依据,正确理解和使用结构规范对于每个结构设计人员的重要意义是不言而喻的。许多年轻的结构师对于GB50003-2001《砌体结构设计规范》不甚了解,笔者就应用GB50003-2001《砌体结构设计规范》在设计中常遇到的几个令人困惑的问题进行分析和阐述。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201101/14659.htm
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