砌块住宅工程设计论文

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[摘要]本文介绍了十八层配筋砌块住宅的工程概况、结构整体内力分析、构件的承载力计算公式、计算结果，并与砼剪力墙结构比较作了经济分析，最后针对砌块建筑的计算特点及墙体构造的特殊性作了小结。本文按《砌体结构设计规范》GB50003（征求意见稿）进行设计。[关键词]配筋砌体，复合夹心保温墙，最小配筋率为进一步推动北京市高层配筋砌体结构的发展，经北京市建委、墙改办及首规委同意，北京首钢设计院在中国工程建设标准化协会砌体结构技术委员会、清华大学、中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部的大力协助下，将在石景山金顶街地区建一座18层的高塔住宅，该建筑拟采用北京地区高强砼小型空心砌块，结合北京市墙改节能的要求和住宅建筑的具体特点，在设计、施工中将有多项新技术、新材料的应用，它将是北京地区利用配筋砌体建造的第一座高层建筑。下面将该十八层配筋砌体住宅分以下几个部分进行介绍：一.工程概况本工程为十八层配筋小砌块高层住宅建筑，地处石景山金顶街地区，属8°抗震设防区，场地土为Ⅱ类，此高塔住宅一梯八户，总建筑面积13350m2，地下两层，地上18层，局部20层，建筑平面图见图1。建筑设计在满足使用功能的同时，还考虑了结构专业的需要，故在平面设计中尽量减少小墙肢数量，做到外墙无小墙肢，且使多条轴线上的墙体贯通。墙体平面布置沿中心基本对称，使建筑物的质量中心与刚度中心基本重合，将结构扭转效应的影响减到最低，对建筑物抗震十分有利。结合砌块建筑的特殊性，本工程的建筑轴线间距、层高、洞口宽度均为200mm的倍数，水平及竖向灰缝均为10mm，这样排块简单，砌块型号少。本工程共需四种形式八种块型，详见图2，其中，K1、K2、K3用于有水平配筋的墙体，K4、K5、K6用于无水平配筋的墙体，K7、K8为清灰块，凡竖向灌实的孔洞最下一皮砌块均放清灰块，以清除墙体砌筑时掉入孔洞的多余的砂浆或杂物，因清灰块处无法放水平钢筋，故水平钢筋从第二皮砌块起设置。为保证结构的整体刚度，楼、屋面均采用现浇钢筋砼板，每层楼、屋面标高处沿所有承重墙体均设置400mm高现浇圈梁。图1标准层平面图2块形示意图墙体形式包括以下三种：(1)承重外墙：外墙采用复合夹心保温墙，即在190mm承重墙和90mm装饰墙之间填充保温材料，且每二皮砌块高度设一道fb4镀锌钢丝网片，作法详见图3。保温材料采用core-Fill500氮尿素发泡剂，这是一种集节能、隔音、防火为一体的建筑材料，施工非常简便，可在墙体砌筑完一层后填充保温层，完全不受钢筋、管道等障碍物的影响[5]。图3复合夹心保温墙(2)承重内墙：采用190mm系列单排通孔砌块砌筑，双面抹灰。(3)非承重内墙：采用90mm系列单排通孔砌块砌筑，双面抹灰。墙体砌筑砂浆要求使用强度高，粘结性、和易性好，保水性强的专用砂浆，而不是普通砂浆，这种专用砂浆适应砼小型砌块布浆面窄、砌块吸水率小、砌块竖缝高度大的特点，同时又能满足工程所需的强度要求。为了帮助工程监督、检测从业人员不断提高专业技术水平，二.内力计算分析配筋混凝土小砌块剪力墙与钢筋混凝土剪力墙受力性能相似[2],可以采用普通钢筋混凝土剪力墙结构计算程序进行内力分析。本工程计算理论及公式均以《砌体结构设计规范》(征求意见稿)GB50003-XX和《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ3-91为依据。2.1本工程采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构空间分析程序TBWE进行结构计算，并请程序编制者根据本工程的具体要求修改了相关的计算公式及荷载分项系数等内容。2.2根据建设部关于适度提高建筑工程可靠度的指示精神及《砌体结构设计规范》GB50003-XX（征求意见稿）的规定，将楼面活荷载及荷载分项系数适当提高，楼面活荷载采用2.0kN/m2，分项系数取①恒载1.2，活载1.4②恒载1.35，活载1.0二组中不利组合。2.3砌体弹性模量按《砌体结构设计规范》（征求意见稿）第3.2.5条取E=1600fG（砂浆强度等级≥M10），fG为单排对孔砌筑混凝土小型空心砌块灌实砌体抗压强度设计值。2.4计算结果：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。地震作用下层间位移及顶点位移列于表1。表1地震作用下层间位移及顶点位移(△u/h)maxu/HX向1/25571/2888Y向1/24441/2916表中：△u—楼层层间位移；h—层高；u—顶点位移；H—建筑物总高度。层间位移及结构顶点位移均满足《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ3-91的要求：u/H<1/1100,△u/h<1/1000（较高装修标准）。三.承载力计算3.1单排对孔砌筑混凝土小型空心砌块灌孔砌体抗压强度设计值：fG=f+0.6αfc，且同时满足fG/f≤2。式中f—空心砌块砌体的抗压强度设计值；fc—灌孔混凝土轴心抗压强度设计值；α—砌块墙体中灌孔混凝土面积和墙体毛截面面积的比值。3.2配筋砌块墙体偏心受压正截面承载力3.2.1大偏心受压按下列公式计算N≤(fGbx+fyAs-fyAs-ΣfsiAsi)NeN≤[fGbx(h0-)+fyAs(h0-as)-ΣfsiSsi式中：N—轴向力设计值；fy,fy—竖向受拉、压主筋强度设计值；b—截面宽度；fsi—竖向分布钢筋抗拉强度设计值；As、As，—竖向受拉、压主筋截面面积；Asi—单根竖向分布钢筋的截面面积；Ssi—第i根竖向分布钢筋对受拉主筋的面积矩；eN—轴向力作用点到竖向受拉主筋合力点之间的距离；—承载力抗震调整系数。3.2.2小偏心受压时按下列公式计算（不考虑竖向分布筋的作用）N≤（fGbx+fyAs-σsAs）NeN≤[fGbx(h0-)+fyAs(h0-as)]T形及I形墙体计算理论与砼构件相同，墙受压翼缘宽度取值详见GB50003-XX表9.2.5。3.3配筋砌块墙体斜截面抗剪承载力配筋砌块墙体承载力计算时，考虑抗震等级的剪力设计值VW在底部加强区范围内取VW=1.5V（一级抗震等级），其它部位取VW=V，式中V—考虑地震作用组合的剪力墙计算截面的剪力设计值。3.3.1截面限制条件VW≤式中b—剪力墙截面宽度或T形、倒L形截面腹板宽度；h—剪力墙的截面高度。3.3.2偏心受压时斜截面受剪承载力计算公式VW≤M、N、VW—考虑地震作用组合的剪力墙计算截面的弯矩、轴力、剪力设计值，当N>时，取N=；A—剪力墙的截面面积；AW—T形或I形截面剪力墙腹板的截面面积；λ—计算截面的剪跨比，当λ≤1.0时，取λ=1.0，当λ≥2.2时，取λ=2.2；h0—剪力墙截面的有效高度；S—剪力墙水平分布钢筋的竖向间距；fyh—水平钢筋的抗拉强度设计值；Ash—配置在同一截面内的水平分布钢筋的全部截面面积之和。3.3.3偏心受拉时斜截面受剪承载力计算公式VW≤注：当<0时，取=0。3.4剪力墙连梁承载力计算在地震荷载作用下，连梁抗剪钢筋较大，采用砌块连梁施工困难，故采用现浇砼连梁。连梁承载力按《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》JGJ3-91中的公式计算。3.5根据承载力计算典型墙片的配筋和墙体配筋率列于表2和表3（P7）。表2计算配筋层数砌块砂浆注芯砼暗柱钢筋纵向水平钢筋灌孔率纵筋箍筋钢筋1-5MU20M20C40每孔一根φ22每孔一个φ8,竖向间距200φ18@4002φ14@400全部灌实6-9MU20M20C40每孔一根φ20每孔一个φ8,竖向间距200φ18@4002φ12@400全部灌实10-14MU15M15C30每孔一根φ20每孔一个φ8,竖向间距200φ16@4002φ12@600竖向孔洞每灌实一孔空一孔，水平方向每灌实一皮空一皮15-17MU10M10C20每孔一根φ18每孔一个φ8,竖向间距200φ16@4002φ12@600竖向孔洞每灌实一孔空一孔，水平方向每灌实一皮空二皮18MU10M10C20每孔一根φ20每孔一个φ8,竖向间距2002φ12@400全部灌实19-20MU10M10C20每孔一根φ18每孔一个φ8,竖向间距200φ16@4002φ12@400全部灌实所有墙体交接处及端部均设暗柱及端柱，墙体水平及纵向分布钢筋均满足《砌体结构设计规范》（征求意见稿）最小配筋率0.13%，暗柱配筋满足加强部位0.8%，其它部位≥3φ18的配筋率要求。四.非线性地震反应分析作为试点性建筑，基于慎重的考虑，我们请湖南大学作了非线性地震反应分析，计算采用质量串模型，分别按层剪切模型和层弯剪模型进行分析计算，其恢复力模型均取有下降段的三折线形式，各段刚度及折点荷载值均取单层墙片试验得到的数据，层间恢复力模型中的各值由各墙片相应值叠加而成。计算时输入两条地震波,1.TAF波，适用于Ⅱ类场地，Tg=0.44(s)；2.ELCENTRO波，适用于Ⅱ、Ⅲ类场地，Tg=0.55(s)。最大加速度峰值按8度区调整为70gal，220gal和400gal。计算结果表明，当输入地面最大加速度峰值为70gal时，结构处于弹性阶段，按两种模型所计算出的顶点位移u及层间位移△u均满足u/H<1/1100,△u/h<1/1000的规定要求。当输入地面最大加速度峰值为220gal和400gal时，结构处于弹塑性阶段。当输入加速度峰值为400gal时，其层间弹塑性位移角△u/h=1/186(X方向)、1/211(Y方向)。由计算结果可知：19层由于层高较大，剪力墙布置较少，抗侧刚度较小，因而层间位移较大，为一薄弱层。施工图设计时，考虑适当增加剪力墙的数量。五.经济分析高层砼砌块配筋砌体除地面以上承重墙体以外的其他结构构件及相关专业的做法均与砼现浇剪力墙结构相同，故只进行砌块墙体经济比较，墙体直接费的计算以北京荣建建材有限公司与三个施工单位对八栋多层砌块住宅测算的经济指标为基础，结合《建设工程概算定额》，针对本工程具体材料的不同进行了钢筋、砼的调增，对比对象为正在施工中的苹果园四区9#楼（十八层全现浇剪力墙结构）。以1m2面积的墙体为标准，配筋砌块墙体的直接费是119.8元，而砼结构是159.7元，1m2墙体可节省直接费39.9元，地上十八层墙体总面积约18100m2，仅直接费一项就可节约71.8万元，加上其他直接费、现场经费、利润等预计能节省投资102万元。此外，砌块墙体比现浇墙体的施工速度快，整体施工周期短，由此可见，在经济效益上，配筋砌体结构比砼结构有着明显的优势。六.工程设计小结和混凝土结构相比，高层配筋砌体结构的建筑布置、结构整体分析、构件强度计算、构造要求、建筑材料性能及施工工艺等均有自己的特殊性。下面重点从计算理论和控制墙体裂缝两方面将工程设计作一小结。6.1配筋砌体和砼剪力墙结构的计算比较高层砼结构的内力与位移按弹性方法计算，并考虑各抗侧力结构的共同工作，连梁可按有关规定考虑局部塑性变形引起的内力重分布[4]，一般二十层以下的砼剪力墙结构墙体厚度从首层至顶层是一样的，故墙体因砼强度等级不同而引起的弹性模量和刚度的变化很小，计算表明除个别小墙肢按柱要求配筋外，绝大多数墙体配筋均为构造配筋。砼剪力墙的最小配筋率，除延性要求外，主要考虑在塑性状态浇注，为限制在水化过程中产生显著收缩的需要[1]。《钢筋混凝土高层建设结构设计与施工规程》JGJ3-91对墙体水平、竖向分布筋的最小配筋率作了要求。配筋砌体通过钢筋和砼的共同工作，使钢筋在受力过程中强度达到流限，而彻底改变了传统的砌体结构脆性破坏的剪切特性，具有和钢筋砼结构同样的性能[2]，故可用砼结构的计算理论对配筋砌体进行结构的整体分析。因在水平地震荷载作用下，连梁的抗剪钢筋较多，施工困难，故将连梁现浇，且对其按砼构件的有关规定进行刚度折减。配筋砌体由砌块、砂浆、注芯砼、钢筋组成，由材料强度等级特别是由灌孔率不同而引起的墙体弹性模量及刚度的变化比砼结构显得更为突出，这点由本文前面所介绍的计算公式中可以看出，而从下至上灌孔率逐渐减小，可减轻结构自重，从而减少水平地震作用，对建筑抗震十分有利。另外，由于砌体结构中存在许多竖向灰缝，地震时能吸收更多的能量，增加了结构的变形和耗能能力，是一种又刚又柔的性能良好的抗震建筑材料[1]。在试验过程中，配筋砌体结构的延性表现十分突出，优于砼剪力墙结构[2]。所以在抗震结构的体系选择上配筋砌体结构优于砼剪力墙结构。另外，由于配筋砌体施工时，作为主要材料的砌块块体尺寸稳定，仅在其孔洞中加入了塑性的砂浆和注芯混凝土，因此砌体墙可收缩的材料要比砼少得多，这就决定了同样考虑了结构延性要求的配筋砌体的水平及竖向钢筋最小配筋率比砼结构小[1]，这正是配筋砌体比砼剪力墙能节省大量钢筋的原因所在。6.2控制墙体裂缝的措施及复合夹心保温墙砌块建筑最突出的问题就是墙体裂缝及渗漏问题，主要由温度应力与砌块块体干缩及砌块质量造成，控制砌块干缩对砌体的影响，必须保证砌块的相对含水率[3]。为防止由温度应力引起的墙体开裂，多层砌块房屋的常规作法是在顶层设保温隔热层，门、窗洞口边设芯柱，在墙体适当位置的灰缝中设水平镀锌钢丝网片,首层窗台下墙体灌实等。本工程根据计算及构造要求，1～9层、18～20层全部灌实，为墙体温度应力敏感区提供了抗裂保证，另外，墙体内部配置的水平钢筋取代了镀锌钢丝网片，能更有效地保证墙体抗裂。传统的墙体保温作法不管是内保温还是外保温，多采用保温板或保温砖，但这种作法有一个通病，就是在板缝或砖缝部位易出现裂缝，影响美观，对墙体抗渗造成隐患。而本工程采用的复合夹心保温墙作法，既能满足保温、抗渗要求，外装饰墙的清水墙面又能充分体现出砌块建筑的特点，美观大方，经济实用。经测算，夹心墙仅保温费用比砼剪力墙采用舒乐舍板外保温加抹灰和防水涂料每平方米墙面可节省19元，所以说复合夹心保温墙的抗裂保温性能和经济效益均优于传统作法。本工程作为我国在8°抗震设防区采用高强砼小砌块的高层配筋砌体建筑，对于北京市乃至全国发展新型墙体材料、推广和使用砼小型空心砌块将起着推动和示范作用，高层配筋砌体体系的研究，是一项涉及到建筑材料、实验、结构设计、计算及施工等多方面的系统工程，本工程的建成、使用将会为该体系的研究提供大量数据、指标，并填补我国在高地震设防区建造高层配筋砌体建筑的空白。参考文献[1]苑振芳，高连玉，混凝土砌块建筑发展现状及展望，′99全国砌体结构学术会议论文集，全国砌块结构标准技术委员会，浙江大学建筑设计研究院，浙江大学土木工程学会，1999.9[2]钱义良等，高层配筋砌块砌体房屋的设计,′97全国砌块建筑设计施工技术研讨会论文集，中国建筑砌块协会，1997.4[3]于本英，小型空心砌块墙体构造设计图集的编制和研究，′97全国砌块建筑设计施工技术研讨会论文集，中国建筑砌块协会，1997.4[4]钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程JGJ3-91，中国建筑工业出版社，1991[5]Core—Fill500绝缘保温材料产品介绍（SureBlock公司）表3墙体的配筋率层墙肢计算所需钢配筋砌体最小配筋率（一级抗震）砼结构最小配筋率（二级抗震）筋的配筋率端部暗柱水平及竖向分布筋端部暗柱水平及竖向分布筋数编号V(kN)N(kN)M(kNm)端部暗柱水平钢筋底部加强区一般部位加强部位一般部位底部加强区一般部位加强部位一般部位1708.03575.32853.70.6%0.15%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%121058.94651.83018.10.6%0.15%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3835.33906.85199.40.6%0.15%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1583.83772.71269.30.6%0.11%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%52968.13806.71453.50.6%0.22%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3694.04241.11706.50.6%0.11%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%92840.82769.0661.40.6%0.18%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%142575.61537.0518.70.6%0.14%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%1###0.6%0.14%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%182###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%3###0.6%0.10%0.8%且33φ203φ180.13%0.13%1.2%1.0%0.25%0.20%注：#所示控制内力表示墙肢配筋按最小配筋率控制即可。