砌塊住宅工程設(shè)計(jì)論文

1、砌塊住宅工程設(shè)計(jì)論文 摘要本文介紹了十八層配筋砌塊住宅的工程概況、結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析、構(gòu)件的承載力計(jì)算公式、計(jì)算結(jié)果，并與砼剪力墻結(jié)構(gòu)比較作了經(jīng)濟(jì)分析，最后針對(duì)砌塊建筑的計(jì)算特點(diǎn)及墻體構(gòu)造的特殊性作了小結(jié)。本文按砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50003（征求意見稿）進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞配筋砌體，復(fù)合夾心保溫墻，最小配筋率為進(jìn)一步推動(dòng)北京市高層配筋砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，經(jīng)北京市建委、墻改辦及首規(guī)委同意，北京首鋼設(shè)計(jì)院在中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)委員會(huì)、清華大學(xué)、中國建筑科學(xué)研究院高層建筑技術(shù)開發(fā)部的大力協(xié)助下，將在石景山金頂街地區(qū)建一座18層的高塔住宅，該建筑擬采用北京地區(qū)高強(qiáng)砼小型空心砌塊，結(jié)合北京市墻改節(jié)

2、能的要求和住宅建筑的具體特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、施工中將有多項(xiàng)新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，它將是北京地區(qū)利用配筋砌體建造的第一座高層建筑。下面將該十八層配筋砌體住宅分以下幾個(gè)部分進(jìn)行介紹：一.工程概況本工程為十八層配筋小砌塊高層住宅建筑，地處石景山金頂街地區(qū)，屬8抗震設(shè)防區(qū)，場(chǎng)地土為類，此高塔住宅一梯八戶，總建筑面積13350m2，地下兩層，地上18層，局部20層，建筑平面圖見圖1。建筑設(shè)計(jì)在滿足使用功能的同時(shí)，還考慮了結(jié)構(gòu)專業(yè)的需要，故在平面設(shè)計(jì)中盡量減少小墻肢數(shù)量，做到外墻無小墻肢，且使多條軸線上的墻體貫通。墻體平面布置沿中心基本對(duì)稱，使建筑物的質(zhì)量中心與剛度中心基本重合，將結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響減到最低，對(duì)

3、建筑物抗震十分有利。結(jié)合砌塊建筑的特殊性，本工程的建筑軸線間距、層高、洞口寬度均為200mm的倍數(shù)，水平及豎向灰縫均為10mm，這樣排塊簡(jiǎn)單，砌塊型號(hào)少。本工程共需四種形式八種塊型，詳見圖2，其中，K1、K2、K3用于有水平配筋的墻體，K4、K5、K6用于無水平配筋的墻體，K7、K8為清灰塊，凡豎向灌實(shí)的孔洞最下一皮砌塊均放清灰塊，以清除墻體砌筑時(shí)掉入孔洞的多余的砂漿或雜物，因清灰塊處無法放水平鋼筋，故水平鋼筋從第二皮砌塊起設(shè)置。為保證結(jié)構(gòu)的整體剛度，樓、屋面均采用現(xiàn)澆鋼筋砼板，每層樓、屋面標(biāo)高處沿所有承重墻體均設(shè)置400mm高現(xiàn)澆圈梁。圖1標(biāo)準(zhǔn)層平面圖2塊形示意圖墻體形式包括以下三種：(1)

4、承重外墻：外墻采用復(fù)合夾心保溫墻，即在190mm承重墻和90mm裝飾墻之間填充保溫材料，且每二皮砌塊高度設(shè)一道fb4鍍鋅鋼絲網(wǎng)片，作法詳見圖3。保溫材料采用core-Fill500氮尿素發(fā)泡劑，這是一種集節(jié)能、隔音、防火為一體的建筑材料，施工非常簡(jiǎn)便，可在墻體砌筑完一層后填充保溫層，完全不受鋼筋、管道等障礙物的影響5。圖3復(fù)合夾心保溫墻(2)承重內(nèi)墻：采用190mm系列單排通孔砌塊砌筑，雙面抹灰。(3)非承重內(nèi)墻：采用90mm系列單排通孔砌塊砌筑，雙面抹灰。墻體砌筑砂漿要求使用強(qiáng)度高，粘結(jié)性、和易性好，保水性強(qiáng)的專用砂漿，而不是普通砂漿，這種專用砂漿適應(yīng)砼小型砌塊布漿面窄、砌塊吸水率小、砌塊豎

5、縫高度大的特點(diǎn)，同時(shí)又能滿足工程所需的強(qiáng)度要求。為了幫助工程監(jiān)督、檢測(cè)從業(yè)人員不斷提高專業(yè)技術(shù)水平，二.內(nèi)力計(jì)算分析配筋混凝土小砌塊剪力墻與鋼筋混凝土剪力墻受力性能相似2,可以采用普通鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算程序進(jìn)行內(nèi)力分析。本工程計(jì)算理論及公式均以砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(征求意見稿)GB50003-XX和鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程JGJ3-91為依據(jù)。2.1本工程采用中國建筑科學(xué)研究院編制的多層及高層建筑結(jié)構(gòu)空間分析程序TBWE進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，并請(qǐng)程序編制者根據(jù)本工程的具體要求修改了相關(guān)的計(jì)算公式及荷載分項(xiàng)系數(shù)等內(nèi)容。2.2根據(jù)建設(shè)部關(guān)于適度提高建筑工程可靠度的指示精神及砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范G

6、B50003-XX（征求意見稿）的規(guī)定，將樓面活荷載及荷載分項(xiàng)系數(shù)適當(dāng)提高，樓面活荷載采用2.0kN/m2，分項(xiàng)系數(shù)取恒載1.2，活載1.4恒載1.35，活載1.0二組中不利組合。2.3砌體彈性模量按砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見稿）第3.2.5條取E=1600fG（砂漿強(qiáng)度等級(jí)M10），fG為單排對(duì)孔砌筑混凝土小型空心砌塊灌實(shí)砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。2.4計(jì)算結(jié)果：自振周期X向：T1=0.87秒，T2=0.27秒，T3=0.15秒，Y向：T1=0.90秒，T2=0.26秒，T3=0.14秒。地震作用下層間位移及頂點(diǎn)位移列于表1。表1地震作用下層間位移及頂點(diǎn)位移(u/h)maxu/HX向1/25571

7、/2888Y向1/24441/2916表中：u樓層層間位移；h層高；u頂點(diǎn)位移；H建筑物總高度。層間位移及結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移均滿足鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程JGJ3-91的要求：u/H時(shí)，取N=；A剪力墻的截面面積；AWT形或I形截面剪力墻腹板的截面面積；計(jì)算截面的剪跨比，當(dāng)1.0時(shí)，取=1.0，當(dāng)2.2時(shí)，取=2.2；h0剪力墻截面的有效高度；S剪力墻水平分布鋼筋的豎向間距；fyh水平鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ash配置在同一截面內(nèi)的水平分布鋼筋的全部截面面積之和。3.3.3偏心受拉時(shí)斜截面受剪承載力計(jì)算公式VW注：當(dāng)0時(shí)，取=0。3.4剪力墻連梁承載力計(jì)算在地震荷載作用下，連梁抗剪鋼筋較大

8、，采用砌塊連梁施工困難，故采用現(xiàn)澆砼連梁。連梁承載力按鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程JGJ3-91中的公式計(jì)算。3.5根據(jù)承載力計(jì)算典型墻片的配筋和墻體配筋率列于表2和表3（P7）。表2計(jì)算配筋層數(shù)砌塊砂漿注芯砼暗柱鋼筋縱向水平鋼筋灌孔率縱筋箍筋鋼筋1-5MU20M20C40每孔一根22每孔一個(gè)8,豎向間距20018400214400全部灌實(shí)6-9MU20M20C40每孔一根20每孔一個(gè)8,豎向間距20018400212400全部灌實(shí)10-14MU15M15C30每孔一根20每孔一個(gè)8,豎向間距20016400212600豎向孔洞每灌實(shí)一孔空一孔，水平方向每灌實(shí)一皮空一皮15-17MU1

9、0M10C20每孔一根18每孔一個(gè)8,豎向間距20016400212600豎向孔洞每灌實(shí)一孔空一孔，水平方向每灌實(shí)一皮空二皮18MU10M10C20每孔一根20每孔一個(gè)8,豎向間距200212400全部灌實(shí)19-20MU10M10C20每孔一根18每孔一個(gè)8,豎向間距20016400212400全部灌實(shí)所有墻體交接處及端部均設(shè)暗柱及端柱，墻體水平及縱向分布鋼筋均滿足砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見稿）最小配筋率0.13%，暗柱配筋滿足加強(qiáng)部位0.8%，其它部位318的配筋率要求。四.非線性地震反應(yīng)分析作為試點(diǎn)性建筑，基于慎重的考慮，我們請(qǐng)湖南大學(xué)作了非線性地震反應(yīng)分析，計(jì)算采用質(zhì)量串模型，分別按層剪

10、切模型和層彎剪模型進(jìn)行分析計(jì)算，其恢復(fù)力模型均取有下降段的三折線形式，各段剛度及折點(diǎn)荷載值均取單層墻片試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，層間恢復(fù)力模型中的各值由各墻片相應(yīng)值疊加而成。計(jì)算時(shí)輸入兩條地震波,1.TAF波，適用于類場(chǎng)地，Tg=0.44(s)；2.ELCENTRO波，適用于、類場(chǎng)地，Tg=0.55(s)。最大加速度峰值按8度區(qū)調(diào)整為70gal，220gal和400gal。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)輸入地面最大加速度峰值為70gal時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，按兩種模型所計(jì)算出的頂點(diǎn)位移u及層間位移u均滿足u/H1/1100,u/h1/1000的規(guī)定要求。當(dāng)輸入地面最大加速度峰值為220gal和400gal時(shí)，結(jié)構(gòu)處于

11、彈塑性階段。當(dāng)輸入加速度峰值為400gal時(shí)，其層間彈塑性位移角u/h=1/186(X方向)、1/211(Y方向)。由計(jì)算結(jié)果可知：19層由于層高較大，剪力墻布置較少，抗側(cè)剛度較小，因而層間位移較大，為一薄弱層。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，考慮適當(dāng)增加剪力墻的數(shù)量。五.經(jīng)濟(jì)分析高層砼砌塊配筋砌體除地面以上承重墻體以外的其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件及相關(guān)專業(yè)的做法均與砼現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)相同，故只進(jìn)行砌塊墻體經(jīng)濟(jì)比較，墻體直接費(fèi)的計(jì)算以北京榮建建材有限公司與三個(gè)施工單位對(duì)八棟多層砌塊住宅測(cè)算的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合建設(shè)工程概算定額，針對(duì)本工程具體材料的不同進(jìn)行了鋼筋、砼的調(diào)增，對(duì)比對(duì)象為正在施工中的蘋果園四區(qū)9#樓（十八層全現(xiàn)澆剪

12、力墻結(jié)構(gòu)）。以1m2面積的墻體為標(biāo)準(zhǔn)，配筋砌塊墻體的直接費(fèi)是119.8元，而砼結(jié)構(gòu)是159.7元，1m2墻體可節(jié)省直接費(fèi)39.9元，地上十八層墻體總面積約18100m2，僅直接費(fèi)一項(xiàng)就可節(jié)約71.8萬元，加上其他直接費(fèi)、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)費(fèi)、利潤等預(yù)計(jì)能節(jié)省投資102萬元。此外，砌塊墻體比現(xiàn)澆墻體的施工速度快，整體施工周期短，由此可見，在經(jīng)濟(jì)效益上，配筋砌體結(jié)構(gòu)比砼結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)勢(shì)。六.工程設(shè)計(jì)小結(jié)和混凝土結(jié)構(gòu)相比，高層配筋砌體結(jié)構(gòu)的建筑布置、結(jié)構(gòu)整體分析、構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算、構(gòu)造要求、建筑材料性能及施工工藝等均有自己的特殊性。下面重點(diǎn)從計(jì)算理論和控制墻體裂縫兩方面將工程設(shè)計(jì)作一小結(jié)。6.1配筋砌體和砼剪力墻

13、結(jié)構(gòu)的計(jì)算比較高層砼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移按彈性方法計(jì)算，并考慮各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的共同工作，連梁可按有關(guān)規(guī)定考慮局部塑性變形引起的內(nèi)力重分布4，一般二十層以下的砼剪力墻結(jié)構(gòu)墻體厚度從首層至頂層是一樣的，故墻體因砼強(qiáng)度等級(jí)不同而引起的彈性模量和剛度的變化很小，計(jì)算表明除個(gè)別小墻肢按柱要求配筋外，絕大多數(shù)墻體配筋均為構(gòu)造配筋。砼剪力墻的最小配筋率，除延性要求外，主要考慮在塑性狀態(tài)澆注，為限制在水化過程中產(chǎn)生顯著收縮的需要1。鋼筋混凝土高層建設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程JGJ3-91對(duì)墻體水平、豎向分布筋的最小配筋率作了要求。配筋砌體通過鋼筋和砼的共同工作，使鋼筋在受力過程中強(qiáng)度達(dá)到流限，而徹底改變了傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)脆

14、性破壞的剪切特性，具有和鋼筋砼結(jié)構(gòu)同樣的性能2，故可用砼結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論對(duì)配筋砌體進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體分析。因在水平地震荷載作用下，連梁的抗剪鋼筋較多，施工困難，故將連梁現(xiàn)澆，且對(duì)其按砼構(gòu)件的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行剛度折減。配筋砌體由砌塊、砂漿、注芯砼、鋼筋組成，由材料強(qiáng)度等級(jí)特別是由灌孔率不同而引起的墻體彈性模量及剛度的變化比砼結(jié)構(gòu)顯得更為突出，這點(diǎn)由本文前面所介紹的計(jì)算公式中可以看出，而從下至上灌孔率逐漸減小，可減輕結(jié)構(gòu)自重，從而減少水平地震作用，對(duì)建筑抗震十分有利。另外，由于砌體結(jié)構(gòu)中存在許多豎向灰縫，地震時(shí)能吸收更多的能量，增加了結(jié)構(gòu)的變形和耗能能力，是一種又剛又柔的性能良好的抗震建筑材料1。在試驗(yàn)過程

15、中，配筋砌體結(jié)構(gòu)的延性表現(xiàn)十分突出，優(yōu)于砼剪力墻結(jié)構(gòu)2。所以在抗震結(jié)構(gòu)的體系選擇上配筋砌體結(jié)構(gòu)優(yōu)于砼剪力墻結(jié)構(gòu)。另外，由于配筋砌體施工時(shí)，作為主要材料的砌塊塊體尺寸穩(wěn)定，僅在其孔洞中加入了塑性的砂漿和注芯混凝土，因此砌體墻可收縮的材料要比砼少得多，這就決定了同樣考慮了結(jié)構(gòu)延性要求的配筋砌體的水平及豎向鋼筋最小配筋率比砼結(jié)構(gòu)小1，這正是配筋砌體比砼剪力墻能節(jié)省大量鋼筋的原因所在。6.2控制墻體裂縫的措施及復(fù)合夾心保溫墻砌塊建筑最突出的問題就是墻體裂縫及滲漏問題，主要由溫度應(yīng)力與砌塊塊體干縮及砌塊質(zhì)量造成，控制砌塊干縮對(duì)砌體的影響，必須保證砌塊的相對(duì)含水率3。為防止由溫度應(yīng)力引起的墻體開裂，多層砌

16、塊房屋的常規(guī)作法是在頂層設(shè)保溫隔熱層，門、窗洞口邊設(shè)芯柱，在墻體適當(dāng)位置的灰縫中設(shè)水平鍍鋅鋼絲網(wǎng)片,首層窗臺(tái)下墻體灌實(shí)等。本工程根據(jù)計(jì)算及構(gòu)造要求，19層、1820層全部灌實(shí)，為墻體溫度應(yīng)力敏感區(qū)提供了抗裂保證，另外，墻體內(nèi)部配置的水平鋼筋取代了鍍鋅鋼絲網(wǎng)片，能更有效地保證墻體抗裂。傳統(tǒng)的墻體保溫作法不管是內(nèi)保溫還是外保溫，多采用保溫板或保溫磚，但這種作法有一個(gè)通病，就是在板縫或磚縫部位易出現(xiàn)裂縫，影響美觀，對(duì)墻體抗?jié)B造成隱患。而本工程采用的復(fù)合夾心保溫墻作法，既能滿足保溫、抗?jié)B要求，外裝飾墻的清水墻面又能充分體現(xiàn)出砌塊建筑的特點(diǎn)，美觀大方，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。經(jīng)測(cè)算，夾心墻僅保溫費(fèi)用比砼剪力墻采用舒樂

17、舍板外保溫加抹灰和防水涂料每平方米墻面可節(jié)省19元，所以說復(fù)合夾心保溫墻的抗裂保溫性能和經(jīng)濟(jì)效益均優(yōu)于傳統(tǒng)作法。本工程作為我國在8抗震設(shè)防區(qū)采用高強(qiáng)砼小砌塊的高層配筋砌體建筑，對(duì)于北京市乃至全國發(fā)展新型墻體材料、推廣和使用砼小型空心砌塊將起著推動(dòng)和示范作用，高層配筋砌體體系的研究，是一項(xiàng)涉及到建筑材料、實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算及施工等多方面的系統(tǒng)工程，本工程的建成、使用將會(huì)為該體系的研究提供大量數(shù)據(jù)、指標(biāo)，并填補(bǔ)我國在高地震設(shè)防區(qū)建造高層配筋砌體建筑的空白。參考文獻(xiàn)1苑振芳，高連玉，混凝土砌塊建筑發(fā)展現(xiàn)狀及展望，99全國砌體結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，全國砌塊結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)，浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，浙

18、江大學(xué)土木工程學(xué)會(huì)，1999.92錢義良等，高層配筋砌塊砌體房屋的設(shè)計(jì),97全國砌塊建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)研討會(huì)論文集，中國建筑砌塊協(xié)會(huì)，1997.43于本英，小型空心砌塊墻體構(gòu)造設(shè)計(jì)圖集的編制和研究，97全國砌塊建筑設(shè)計(jì)施工技術(shù)研討會(huì)論文集，中國建筑砌塊協(xié)會(huì)，1997.44鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程JGJ3-91，中國建筑工業(yè)出版社，19915CoreFill500絕緣保溫材料產(chǎn)品介紹（SureBlock公司）表3墻體的配筋率層墻肢計(jì)算所需鋼配筋砌體最小配筋率（一級(jí)抗震）砼結(jié)構(gòu)最小配筋率（二級(jí)抗震）筋的配筋率端部暗柱水平及豎向分布筋端部暗柱水平及豎向分布筋數(shù)編號(hào)V(kN)N(kN)M(k

19、Nm)端部暗柱水平鋼筋底部加強(qiáng)區(qū)一般部位加強(qiáng)部位一般部位底部加強(qiáng)區(qū)一般部位加強(qiáng)部位一般部位1708.03575.32853.70.6%0.15%0.8%且33203180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%121058.94651.83018.10.6%0.15%0.8%且33203180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3835.33906.85199.40.6%0.15%0.8%且33203180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1583.83772.71269.30.6%0.11%0.8%且33203180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%52968.13806.71453.5