六层无跃层坡屋顶剪力墙结构设计

刘秋燕

本工程建于2007年,是北京市郊区某旧小区插建的一栋6层板式住宅楼,建筑风格沿袭该小区原有风貌,因此顶层采用了无跃层坡屋顶形式(该小区原有住宅均为无跃层坡屋顶砖混结构)。该工程地下1层,地上6层。标准层层高2.8 m(顶层坡屋顶脊尖高2.2 m),住宅楼总高19.8 m。由于北京市早在2005年之前已禁止生产及使用各类黏土制品,因此本工程结构形式采用剪力墙结构。抗震设防烈度8度,剪力墙抗震等级三级。剪力墙厚度180 mm,混凝土强度等级C25。标准层结构平面图见图1。

1 概念设计最为重要

北京地区为8度抗震设防区,地震是最严重的自然灾害。考虑到大震发生的概率很低和建筑结构抗震的经济性,我国规范采用的是较低地震力—较高延性方案,即采用比基本烈度降低1.5度(小震)配合概念延性构造要求进行抗震设计。抗震设计分为抗震计算设计和抗震概念设计两大部分,人们在总结大地震灾害的基础上认识到,概念设计比计算设计更为重要。对于剪力墙结构,要通过选择合理的结构布置、合理的破坏机制、适宜的刚度和强度分布及延性设计等实现规范要求的安全度。

2 结构布置

1)抗侧力构件的布置。该工程建筑平面呈矩形,因此剪力墙沿两个轴线方向布置,并尽量拉通、对直,成一直线。平面布置尽可能均匀、对称,尽量使结构的刚度中心和质量中心重合,以减少扭转。在竖向,剪力墙自下至上连续布置,避免了刚度的突变。多层剪力墙结构侧向刚度不宜过大,否则将加大地震作用,影响经济指标,因此除所有外墙均布置剪力墙外,内横墙仅在楼梯、电梯间及分户墙位置设置了剪力墙。

2)剪力墙开洞。剪力墙的洞口大小、位置及数量对剪力墙的结构受力影响很大,本工程尽量将门窗洞口上下对齐,成列布置,以形成明确的墙肢和连梁。

3)单片剪力墙的长度不宜过大。长度很大的剪力墙,刚度很大将使结构的周期过短,地震力太大而不经济。当剪力墙处于受弯工作状态时,才能有足够的延性,故剪力墙应当是高细的,如果剪力墙长度太大时,将形成低宽剪力墙,就会因受剪而破坏,剪力墙呈脆性,不利于抗震。每个墙段的高宽比应不小于2,每个墙肢的宽度不宜大于8.0 m,以保证墙肢是由受弯承载力控制。因此,本工程中对于长度较大的横向分户墙,通过在适当位置开设结构洞(也是施工洞),将其划分为高宽比大于2,延性较好的独立墙段。

3 整体计算

剪力墙结构的内力与位移计算,应选择与实际受力状态相近的计算模型软件进行结构分析。当时我们使用的中国建筑科学研究院2005版结构平面CAD软件,对于混凝土结构,计算程序还不能考虑墙的坡度变化。因此电算建模时,只能将坡屋顶近似简化成高度相当的平屋顶输入。输入顶层层高时,层高取顶层外纵墙高度与1/2山尖高度之和。建模时,顶层内墙门洞连梁截面高度均同五层相应位置连梁截面高度(层高与连梁高度之差即结构洞口高度)。外纵墙为坡屋面起坡处,窗洞连梁截面实际高度均不大,因此按建筑图实际尺寸输入。采用多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件的SAT-8对结构进行整体计算。

结构整体计算完成后,电算结果显示,剪力墙墙肢轴压比较小;结构弹性层间位移角限值远小于抗震设计规范要求;墙体钢筋基本是按构造要求配置的;各项结构设计指标均满足相关要求。

4 抗震设计

1)限制墙肢轴压比。按照《北京市建筑设计技术细则》(结构专业)关于多层剪力墙的规定,抗震等级为三级时,多层剪力墙结构中的一般剪力墙墙肢的轴压比不宜超过0.25。本工程剪力墙墙肢最大轴压比为0.26。

2)配置剪力墙边缘构件。按照GB 50011-2001抗震规范6.4.6的规定,剪力墙两端和洞口两侧应设置边缘构件。本工程剪力墙抗震等级三级,可只设置构造边缘构件。构造边缘构件的范围,可按抗震规范图6.4.8采用,其配筋除应满足计算要求外,还宜符合规范表6.4.8的要求。

3)设置底部加强部位。本工程为多层剪力墙结构,地下1层及地上1层按底部加强部位设计。

4)强剪弱弯。在大震作用下,为使墙肢及连梁实现强剪弱弯,避免发生脆性破坏,采用剪力增大系数调整墙肢底部加强部位的剪力计算值及连梁梁端截面组合的剪力计算值。

5 本工程的特殊情况

该工程是多层剪力墙结构,且平面刚度分布及荷载布置较均匀,因此各项结构设计指标均较容易满足相关要求。顶层坡屋顶部分无跃层,按照建筑施工图的设计,顶层内横墙门口上皮至坡屋顶上皮之间的剪力墙高度较大,而内纵墙门口上皮至坡屋顶上皮之间的剪力墙高度竟高达2.99 m(该住宅卧室门洞口高度2.1 m)。如果沿袭标准层的做法,在顶层门口下皮至结构层上皮之间仅布置一根连梁,则该连梁截面高度可达2.99 m。而住宅卧室门口宽度仅为0.9 m,因此顶层连梁刚度太大,地震时极易破坏,是该工程结构设计过程中需要谨慎对待的问题。如何设计坡屋顶顶层门上高大的剪力墙连梁,规范及一般的参考书都未涉及适合此情况的具体做法。

本工程是这样设计的:内横墙及内纵墙建筑门洞上方设过梁一道,仅承受其上方用于填充结构洞的轻质隔墙荷载,因此按构造配筋即可。过梁之上开与之同宽的结构洞,其上沿坡屋顶设置洞口连梁。参照电算结果,其截面尺寸及配筋均同五层相应位置连梁。顶层洞口连梁设置如图2,图3所示。

6 结语

以往被广泛应用于高层建筑的剪力墙结构,由于砌体结构高度受限,且黏土制品已禁止使用,以往被广泛应用于高层建筑的剪力墙结构,目前也逐渐用于低层及多层建筑。在广大的农村地区,正越来越多地涌现出类似于本文中的多层坡屋顶住宅。如何通过合理的结构设计,将此类工程做得既安全又经济,是广大业主的迫切希望,也是值得我们工程设计人员不断探讨的问题。

[1] 张维斌.多层及高层钢筋混凝土结构设计释疑及工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.