建筑结构设计问题及对策探讨

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1工程概况

工程项目为商丘师范学院12号公寓楼，项目建设地点位于商丘市梁园区商丘师范学院新校区院内。总建筑面积13510．43m2，基底面积2252m2。建筑平面总长度达到120m。根据建筑施工图设计显示，该建筑一共6层，上部有局部突出的楼梯间和水箱间。建筑总高度21．5m。1层层高3．6m，2层～6层层高3．4m。该建筑平面长度120m，宽度19m。建筑分类为多层公共建筑，四类多层宿舍楼。主体结构使用年限为50年;设计抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0．10g，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。抗震设防类别为丙类标准设防类。

2结构选型

在做单体结构设计前需要详细了解该建筑单体的具体建筑设计方案和详细的建筑施工图设计。建筑设计方案根据建筑使用功能的需要，确定各个空间的大小尺寸。同时对建筑内部使用空间进行平面组合以及空间在竖直方向上的叠加。为了营造可满足人们使用的内部空间，建筑物上要承受各种荷载和自然作用。包括:建筑自重、使用过程中的荷载、风雨雪等荷载以及地震作用。在建筑物中，建筑结构是用来承受荷载、抵抗变形的骨架。通过结构选型进行选择安全可靠经济合理的结构形式。建筑结构选型既是建筑艺术与工程技术的综合，又是建筑、结构、施工、设备、预算等各个专业工种的配合。结构形式关系到建筑物是否安全、适用、经济、美观。结构选型要遵循几点原则:1)适应建筑功能的要求，结构是建筑功能设计实现的技术支撑。结构设计方案要支持建筑功能，尽量减少结构设计对建筑功能的限制和影响。2)满足建筑造型的需要，建筑物不是孤立的存在，其要与周围环境条件相协调。结构选型阶段要考虑和满足建筑造型的需要。对于建筑平面和立面不规则的建筑结构选型，要按实际需要在适当部位设置变形缝，形成较多规则的结构单元。3)充分发挥结构自身的优势，每种结构体系都有自身的特点和不足，有其各自的适用范围，所以要结合建筑设计的具体情况进行结构选型。4)考虑材料和施工的条件，由于材料和施工技术的不同，其结构形式也不同。5)尽可能降低造价，当几种结构形式都有可能满足建筑设计条件时，经济条件就是决定因素，尽量采用能降低工程造价的结构形式。对于多层住宅建筑，常用的结构形式有砌体结构和钢筋混凝土框架结构。根据建筑施工图在进行结构选型时，对两种结构形式进行分析比较。钢筋混凝土框架结构适用于多高层建筑，平面布置灵活。但是施工周期长、施工过程中湿作业多，受天气条件影响大。砌体结构适用于多层建筑，尤其是住宅公寓宿舍等居住建筑，居住建筑一般开间和进深不大，分隔内部空间的墙体较多，适合布置砌体结构的承重墙体［1］。另外，砌体结构使用的块材和砂浆易于就地取材，有利于降低造价，节约建造成本。根据GB50011—2010建筑抗震设计规范，通常情况下，砌体结构房屋的层数和总高度不应超过表1的规定［2］。该公寓楼结构设计时采用的抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值为0．10g。依据建筑抗震规范对砌体结构高度和层数限值的要求，采用多孔砖或者普通砖砌筑时，最高的容许高度为21m，最大容许层数为7层。而具体到该公寓楼一共6层，建筑总高度21．5m。结合建筑使用功能以及建筑总高度和结构使用年限为50年，确定该建筑抗震设防类别为标准设防类(丙类)。因此，该公寓楼结构选型可以选用砌体结构进行设计。多层砌体结构房屋的建筑布置和结构体系，应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系，不应该采用砌体墙和混凝土墙体混合承重的结构体系。该公寓楼根据居住功能的需要基本上每个房间进深6．8m，开间3．5m。房间开间不大，横墙布置较多。因此可以确定选择横墙承重的砌体结构体系。

3结构平面布置

建筑使用空间的组合和叠加的同时还要保证各个单独空间在采光和通风上的使用要求。建筑设计的结果最终以建筑施工图的形式进行呈现。建筑施工图详细表达了该房屋建筑的总体体型、外观造型以及各个空间的组合关系。在建筑施工图上，外墙墙体用来表示室内外空间分隔，内墙墙体表示建筑内部的各个空间的分隔情况。因此，从建筑施工平面图上，可以看出各个房间的开间和进深尺寸。根据建筑平面图，该公寓楼平面长度达到120m，宽度19m。结构选型确定了要采用的结构体系之后，在进行结构构件布置时，为了防止或减轻房屋在正常使用条件下，由温差和砌体干缩引起的墙体竖向裂缝，应在墙体中设置伸缩缝。伸缩缝的设置特点是基础不用断开，但是基础顶面以上到屋面的所有构件都要断开。伸缩缝两端必要时设置双墙双梁。伸缩缝应设置在因温度和收缩变形可能引起应力集中、砌体产生裂缝可能性最大的地方。伸缩缝的间距要求，对于整体式或装配整体式钢筋混凝土结构，有保温层或者隔热层的屋盖、楼盖，伸缩缝间距要求为50m［3］。同时，为了减轻平面超长建筑结构在地震中的震害，建筑结构平面布置不宜过于狭长。GB50011—2010建筑抗震设计规范要求［2］，7度抗震设防时，长宽比不宜大于6．0。平面过于狭长的建筑物在地震时，由于两端地震波输入有相位差而容易产生不规则振动，容易造成较大的震害。如果根据使用功能上的要求，房屋建筑在平面上布置的过于狭长，可以通过设置必要的抗震缝，以便把房屋建筑分隔成对抗震有利的规则结构单体。对于该公寓楼平面长度达到120m，宽度19m，不仅仅平面长度大，而且平面长宽比大于6．0。因此，考虑到在正常使用状况下的温度影响，需要设置伸缩缝，同时考虑地震影响，结构中需要设置抗震缝。为了避免设缝过多，引起不必要的设计和施工问题，必要时可以把伸缩缝和抗震缝合二为一，一缝多用，缝宽取两者中较宽者。为了满足伸缩缝间距不大于50m的要求以及平面长宽比不大于6．0的抗震要求，综合考虑施工的便利，在该建筑中设置两道变形缝。防震缝宽度应根据烈度和房屋高度确定，可采用70mm～100mm，因此本工程采用缝宽100mm。在结构平面布置上，通过设置两道宽度100mm的变形缝，将整栋建筑分隔成三个规则的结构单体。

4结构构件设计

砌体结构主要受力构件为墙体，墙体在竖直方向的布置宜上下对齐，传力路径简单明确，有利于荷载的传递和结构的安全。由于该房屋建筑内部开间不大，而进深较大，故内部横墙布置较多，纵墙间距大，而且外纵墙上均开设有窗洞口，内纵墙设置门洞口。纵墙上开设较多的洞口不利于承受荷载，主要采用横墙承重。为减轻结构自重，墙体采用MU15烧结煤矸石多孔砖、M10混合砂浆砌筑。根据砌体结构的总体布置，使用中国建筑科学研究院的PK-PM系列软件中的砌体结构辅助设计程序进行结构建模计算，绘制板的施工图，验算墙体的承载力。房屋建筑中设置的变形缝把建筑分隔成为三个相对独立的结构单体。在建模时，三个独立的单体可以分别进行建模分析计算，也可以建立总的结构模型进行分析计算，但是要保证在变形缝处构件不连续。

5抗震构造措施

建筑结构除了要满足设计计算要求之外，还要满足抗震构造要求，以便保证结构在地震中的整体性和延性作用［4］。多层砖砌体房屋，应按要求设置现浇钢筋混凝土构造柱。根据GB50011—2010建筑抗震设计规范的要求，层数为六层抗震设防烈度为7度的砌体结构建筑，需要设置构造柱的位置包括:楼电梯间四角、楼梯斜梯段上下端对应的墙体处、外墙四角和对应转角;大房间内外墙交接处;较大洞口两侧;隔开间横墙与外墙交接处;山墙与内纵墙交接处［2］。同时，该公寓楼的层数和总高度接近于表1中的限值要求，纵横墙内的构造柱间距要满足相应的要求。横墙内的构造柱间距不宜大于层高的2倍;下部1/3的楼层构造柱间距适当减小。因为该公寓楼房间进深为6．8m，所以需要在横墙的中部额外设置一根构造柱，以减小横墙内构造柱的间距，增强砌体结构房屋的抗震性能。多层砖砌体房屋的现浇钢筋混凝土圈梁设置应按要求设置。现浇或装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖与墙体有可靠连接的房屋，应允许不另设圈梁，但是楼板沿抗震墙体周边均应加强配筋并应与相应的构造柱钢筋可靠连接。

6结语

砌体结构总体上在多层住宅公寓楼建筑房屋中使用较多，而且砌体结构的建造有相当长的历史。因此，砌体结构的设计技术相对成熟。在进行砌体结构设计中，首先从整体概念设计上进行把握，合理妥当的概念设计至关重要，会使设计工作变得事半功倍。其次，在构件的布置设计计算以及构造措施上，要符合相关规范的要求，保证结构设计成果满足建筑功能的要求，也符合规范对结构安全稳定的要求。

参考文献:

［1］李守继，程东海，叶献国，等．底框砖房与框架结构商住楼经济性能的评估研究［J］．合肥工业大学学报，2000(10):625-630．

［2］GB50011—2010，建筑抗震设计规范［S］．

［3］GB50003—2011，砌体结构设计规范［S］．

［4］GB50068—2018，建筑结构可靠性设计统一标准［S］．

作者:马超 刘兵星 单位:商丘师范学院