某多層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的特殊部位分析處理

周新

上海華東房產(chǎn)設(shè)計(jì)院有限公司 上海 201700

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于河南鄭州市鄭東新區(qū)，場(chǎng)地內(nèi)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(kù)連為一體。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)體系

抗震設(shè)防烈度7度，0.15g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，場(chǎng)地土類別：III類。

基本風(fēng)壓:0.45KN/m2，地面粗糙度B類。

結(jié)構(gòu)體系：剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻厚度200mm，剪力墻長(zhǎng)度1～3.0m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要特殊處理的部位

1、底層南北兩側(cè)采光井開洞較大，土對(duì)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(shè)梁，按大板設(shè)計(jì)。

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(guó)標(biāo)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(jié)構(gòu)整澆。

5、建筑造型限制，對(duì)于超過(guò)1.5m的懸挑陽(yáng)臺(tái)仍然需要按懸挑板設(shè)計(jì)。

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(duì)于外圍的一字型剪力墻而言比較不利。

4 針對(duì)特殊部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 考慮采光井對(duì)結(jié)構(gòu)的整體影響

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

采光井的影響主要體現(xiàn)南北向在土對(duì)建筑的約束上。因此，計(jì)算時(shí)按考慮地下一層土約束與不考慮土約束兩種情況進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，適當(dāng)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(shè)計(jì)

應(yīng)業(yè)主要求，豎向構(gòu)件圍合區(qū)域內(nèi)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(yù)應(yīng)力樓蓋，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理的要求。但業(yè)主考慮施工簡(jiǎn)便，明確要求采用常規(guī)的實(shí)心樓板。

由于厚板的自重較大，為防止厚板的撓度過(guò)大，對(duì)大板跨部位如下措施進(jìn)行了設(shè)計(jì)：

1、按連續(xù)板設(shè)計(jì)。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(jì)算時(shí)按有限元與手冊(cè)算法包絡(luò)設(shè)計(jì)，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(duì)線剛度較小，無(wú)法達(dá)到不動(dòng)支座的要求。如按常規(guī)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大的偏差。因此，考慮梁的變形引起內(nèi)力重分布，需要根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果校核。

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

4.3 大跨度部位的折板設(shè)計(jì)

本項(xiàng)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(shè)置次梁而影響外側(cè)的空調(diào)出風(fēng)口，應(yīng)業(yè)主要求采用折板設(shè)計(jì)。

對(duì)于雙向板而言，折板高差較大時(shí)，會(huì)引起的較大的剛度突變。根據(jù)單向折板受力模型，當(dāng)折板處可以完全傳遞彎矩時(shí)，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(shí)，滿足《16G101-1》構(gòu)造要求，可以按普通樓板簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。然而，對(duì)于跨度較大的雙向板而言，板面高差較大時(shí)，形成剛度突變，是否對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有影響，需要專門的分析。本項(xiàng)目采用了兩種方式對(duì)其進(jìn)行分析論證。

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

由計(jì)算結(jié)果可見，樓板應(yīng)力最大處位于折板轉(zhuǎn)角處，最大應(yīng)力為3.6N/mm2，而未考慮折板的相應(yīng)部位應(yīng)力約0.5N/mm2，兩者比值為7.2倍。因此，按常規(guī)樓板設(shè)計(jì)誤差較大。

方法2：采用梁元法計(jì)算。板兩個(gè)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(jì)算結(jié)果

方法2梁元法計(jì)算結(jié)果

由上圖可見，對(duì)應(yīng)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(yīng)力f=M/W=35x106/107=3.5N/mm2，與有限元法計(jì)算結(jié)果基本一致。

分析結(jié)果與預(yù)計(jì)一致，應(yīng)力集中部位一般位于折板形成的陽(yáng)角部位。當(dāng)折板板跨較大、高差較大時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充分析計(jì)算，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)處理。

4.4 全現(xiàn)澆外墻設(shè)計(jì)

針對(duì)次特殊要求，首先結(jié)構(gòu)布置時(shí)，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(wú)法對(duì)齊，且對(duì)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(lái)調(diào)整整體剛度。但混凝土填充墻的剛度較大，且要求與主體結(jié)構(gòu)整澆。為消除混凝土填充墻剛度過(guò)大的影響，構(gòu)造上需要對(duì)進(jìn)行剛度削弱。

全現(xiàn)澆外墻參考剪力墻設(shè)縫的方法，墻與墻及墻與梁之間設(shè)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(dá)到防水目的。

由于填充墻與結(jié)構(gòu)主體連接僅為50mm，極大的削弱了混凝土填充墻與主體結(jié)構(gòu)的連接。但也正因?yàn)檫B接體的存在，填充墻提供的剛度不容忽視，因此，本工程計(jì)算時(shí)周期折減系數(shù)調(diào)整至0.8。

4.5 懸挑陽(yáng)臺(tái)板設(shè)計(jì)

一般而言，對(duì)于懸挑跨度超過(guò)1.5m的陽(yáng)臺(tái)，按懸挑梁受力設(shè)計(jì)。本工程陽(yáng)臺(tái)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(shè)計(jì)。由于懸挑板受力，對(duì)于鋼筋保護(hù)層厚度比較敏感，因此如何確保受力鋼筋的保護(hù)層厚度是確保安全的關(guān)鍵。本工程中，每隔一定間距設(shè)置鋼筋桁架（本項(xiàng)目桁架頂筋間距為400mm），以確保受力鋼筋的內(nèi)力臂高度，避免施工中的不可控因素。

4.6 一字墻的加強(qiáng)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(cè)，以減少梁的跨度。然而，大開間部位按業(yè)主要求采用實(shí)心大板結(jié)構(gòu)。雖然，樓板計(jì)算時(shí)進(jìn)行了邊界鉸接處理，然而由于板面實(shí)配鋼筋的存在，當(dāng)樓板變形時(shí)，對(duì)于邊跨墻而言，一字墻將變?yōu)閴簭潣?gòu)件，可能使墻體優(yōu)先于樓板開裂。因此需要復(fù)核此部分墻的平面外強(qiáng)度，并適當(dāng)加強(qiáng)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(duì)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(nèi)。而對(duì)于頂層，由于豎向力較小，且板傳來(lái)的彎矩較大，使墻體進(jìn)入大偏壓狀態(tài)，豎向筋受拉，其配筋需要復(fù)核加強(qiáng)。

5 結(jié)語(yǔ)

多層住宅由于高度較低，安全風(fēng)險(xiǎn)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(zhì)量的問(wèn)題是非常普遍的，糾紛也是比較多的。本文介紹了本項(xiàng)目單體設(shè)計(jì)中特殊部位的處理及分析方式，以盡可能減少結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險(xiǎn)，確保住宅的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。