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建筑設(shè)計中板柱結(jié)構(gòu)的適用高度
板柱結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)常被采用的結(jié)構(gòu)體系,它具有不少優(yōu)點,如施工支模及綁扎鋼筋較簡單,結(jié)構(gòu)本身高度較小,可以減少建筑物的層高,從而降低建筑物的造價等等,但由于此種結(jié)構(gòu)在遭受較強地震作用時,其板柱節(jié)點的抗震性能不如有梁的梁柱節(jié)點,此外,地震作用產(chǎn)生的不平衡彎矩要由板柱節(jié)點傳遞,它在柱周邊將產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力,當剪應(yīng)力很大而又缺乏有效的抗剪措施時,有可能發(fā)生沖切破壞,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞。因此,新的抗震規(guī)范對于板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)的適用高度,作了較嚴格的規(guī)定。但是,實際工程中,對于板柱結(jié)構(gòu)還是有大量要求的,本文目的,是想提供一些措施,使板柱結(jié)構(gòu)可以建筑得更高一些,以滿足實際需求。
建筑 板柱結(jié)構(gòu) 使用高度
1.綜述
由于板柱結(jié)構(gòu)(無抗震墻者)抗震性能較差,北京市建筑設(shè)計院1992年出版的《結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施》中規(guī)定,在抗震設(shè)防烈度為6度的地區(qū),層數(shù)不能超過四層,房屋總高不能超過16m,7度區(qū)為三層及12m,8度區(qū)為二層及8m。(以上指未設(shè)抗震墻的板柱結(jié)構(gòu))新的抗震規(guī)范GB50011-2001對于板柱結(jié)構(gòu)作了比較嚴格的規(guī)定,例如,對于適用最大高度,6、7、8度區(qū)分別為40,35,30米;抗震墻應(yīng)能承擔全部地震作用,板柱部分能額外承擔全部地震作用的20%;沿兩個主軸方向通過柱截面的板底連續(xù)鋼筋,有數(shù)量的要求(抗震規(guī)范6.6.9式)等等。
在抗震規(guī)范表6.1.1,現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋適用的最大高度中,有板柱-抗震墻結(jié)構(gòu),但是沒有不設(shè)抗震墻的板柱結(jié)構(gòu),它的意思是,不推薦采用不設(shè)抗震墻的板柱結(jié)構(gòu)。
此外,目前有一種說法:抗震規(guī)范對于各種結(jié)構(gòu)體系的房屋,都有一個“限制高度”,這是一個誤解。的確,包括過去的抗震規(guī)范都提出了“適用的最大高度”,但這并不是“限制高度”,它的意思是,在使用該規(guī)范進行設(shè)計,并遵守規(guī)范的、構(gòu)造等一系列要求,各種體系在各設(shè)防烈度時,該規(guī)范的適用范圍,是多少高度。例如,在8度區(qū),框架-抗震墻按該規(guī)范設(shè)計時,適用到100m高度。如果建筑物高度需要高于100m,就需采取比規(guī)范內(nèi)容更嚴格的措施(包括計算與構(gòu)造),并經(jīng)過規(guī)定的審查,只要符合要求,是可以超過抗震規(guī)范表6.1.1中的高度的。總之,并無“限高”的說法。如果限制高度,只許建多少米,豈不是限制了科技的進步?
新抗震規(guī)范對于板柱-抗震墻的適用高度,規(guī)定得較低,這對于一般的高層建筑,是遠遠不夠用的。是否可以建得更高一些,可以根據(jù)從震害分析著手:
美國阿拉斯加四季公寓的倒塌,往往被認為是板柱-抗震墻性能不好的一個例證。但從林同炎事務(wù)所的分析報告來看,該工程的設(shè)計按100%地震力由核心筒來承擔,在承載力方面也是足夠的,只因施工單位在鋼筋接頭上未按規(guī)定施工,才造成嚴重破壞。
阿爾及利亞的倒塌事故,是由于該工程為純板柱結(jié)構(gòu)(樓板為雙向密勒,無梁),層高較高,跨度也較大。此種結(jié)構(gòu)不能抵抗地震是不足為奇的,也不提倡此類結(jié)構(gòu)。
綜上所述,板柱結(jié)構(gòu)的破壞主要是:
�、�. 未布置一定數(shù)量的抗震墻,因而地震作用全由板柱框架承受。由于未布置抗震墻,此種結(jié)構(gòu)的節(jié)點剛度又相對較弱,因此側(cè)向位移常較大。由于它延性差,抗彎和變形能力很弱,再加上P-⊿效應(yīng),在強震時造成嚴重破壞甚至倒塌是很可能的。
�、�. 板柱節(jié)點處,樓板抗沖切能力差。在柱子周邊板內(nèi),未設(shè)置抗沖切的鋼筋,或設(shè)置得不恰當,節(jié)點處不平衡彎矩對樓板造成的附加剪應(yīng)力未適當考慮,柱周邊板的厚度不夠,使抗剪箍筋不易充分發(fā)揮作用,或柱子縱筋在節(jié)點處滑移。
由于這些原因,在強震時使墻板產(chǎn)生沖切破壞,隨之樓板墜落,造成巨大損失。明白了板柱的破壞原因,采取相應(yīng)有效的措施之后,板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震性能,將能有很大的提高,其設(shè)計強度也將提高。
2.板柱-抗震墻的設(shè)計建議
2.1結(jié)構(gòu)布置
2.1.1應(yīng)布置足夠數(shù)量的抗震墻(包括核心筒),墻的位置宜避免偏心。
2.1.2在房屋周邊,應(yīng)布置邊梁,以形成周邊框架。
2.1.3抗震墻的厚度不應(yīng)小于180mm,且不應(yīng)小于層高的1/20,底部加強部位的抗震墻厚度不應(yīng)小于200mm,且不應(yīng)小于層高的1/16(可取層高及無支長度二者中較小值計算)。
2.1.5抗震等級的選用:可比抗震規(guī)范表6.1.1中之“板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)”一欄所規(guī)定者,提高一級,但原為一級者,不必提高(房屋高度不超過抗震規(guī)范中的規(guī)定時,抗震等級不必提高)。
2.2設(shè)計
2.2.1抗震墻(核心筒)應(yīng)承擔結(jié)構(gòu)的全部地震作用,各層梁柱框架應(yīng)能承擔不少于各層全部地震作用的20%,也即,墻與框架承擔的地震作用總和為120%的全部地震作用。板柱框架不考慮承受地震作用,但仍應(yīng)按抗震構(gòu)造。
2.2.2當房屋高度超過抗震規(guī)范表6.1.1之規(guī)定值時,其樓層的最大彈性層間位移角限值應(yīng)取為1/1000。
2.2.3樓板在柱周邊臨界截面的沖切應(yīng)力,宜控制在較低水平,一般不宜超過允許值0.7ft的75%。
2.2.4當?shù)卣鹱饔媚軐?dǎo)致柱上板帶的支座彎矩反號時,應(yīng)驗算圖中虛線截面的沖切承載力。
2.2.5板柱結(jié)構(gòu)在地震作用下按等代框架分析時,其等代梁的寬度采用:
�、�.框架方向跨度的3/4
�、�.垂直于等代框架方向柱距的1/2 兩者中的小值。
2.2.6沿兩個主軸方向通過柱截面的板底連續(xù)鋼筋的總截面面積,應(yīng)符合下式要求:
AS≥NG/fy
式中,AS——板底連續(xù)鋼筋總截面面積。可按每方向1/2AS配置,此鋼筋應(yīng)位于柱截面范圍內(nèi)。
NG——各層樓板傳到柱子的軸壓力,取設(shè)計值
fy——該連續(xù)鋼筋的抗拉強度設(shè)計值。
2.2.7應(yīng)考慮由于板柱節(jié)點處的不平衡彎矩引起的附加剪應(yīng)力。
2.3構(gòu)造
2.3.1 8度時宜采用有托板的板柱節(jié)點,托板根部的厚度(包括板厚)不宜小于柱縱筋直徑的16倍。托板的邊長不宜小于4倍板厚及截面相映邊長之和。7度時也宜盡可能設(shè)置托板。
2.3.2 宜在柱上板帶中設(shè)置暗梁。暗梁寬度可取柱寬及柱兩側(cè)各1.5倍板厚。暗梁支座上部鋼筋面積應(yīng)不小于柱上板帶鋼筋面積的50%(此鋼筋可作為柱上板帶負彎矩鋼筋的一部分),暗梁下部鋼筋不宜少于上部鋼筋的1/2。
暗梁箍筋的配置:當計算不需要時,箍筋直徑不小于8mm,間距≤3/4h0,肢距≤2h0;當計算需要時,箍筋直徑按計算確定,但不小于10mm,間距≤0.5h0, 肢距≤1.5h0,h0為板截面有效高度(不包括托板厚度)。
2.3.3柱上板帶支座處暗梁的上部鋼筋,至少1/4應(yīng)在跨度方向通長。
2.3.4盡可能采用高效能的“抗剪栓釘”,以提高板柱結(jié)構(gòu)的抗沖切性能。
3.結(jié)論
當設(shè)計及構(gòu)造采取上述全部建議后,作者認為,此類結(jié)構(gòu)的適用高度,可按抗震規(guī)范表6.1.1中框架-抗震墻結(jié)構(gòu)取用。
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