PKPM软件在汉源新县城底部框架房屋结构抗震设计中应用的若干心得

2011-04-25杨科

水电站设计 2011年1期

杨科

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川成都 610072)

1 前言

四川汉源新县城属于瀑布沟水电站移民安置工程,工程设计不仅要满足国家现行相关建筑结构规范、规程,而且要符合相应的移民安置政策;加之工程所在地汉源为“5.12汶川大地震”重灾区(地震中底部框架房屋破坏最为严重),这对如何安全适用、经济合理地完成本工程设计提出了新的挑战。

根据移民政策新县城的临街房屋的底部一层用于布置铺面,上部几层用于移民安置住房,故汉源新县城底部框架房屋主要结构形式为底部一层的钢筋混凝土框架—抗震墙结构、上部 2～5层砌体墙承重的多层房屋。

底部框架房屋的计算方法已经为大家所熟悉,针对汉源新县城的工程特点,本文着重探讨在应用PKPM软件进行底部框架房屋结构抗震设计时应注意的几个问题。

2 地震信息输入中的问题

2.1 参数输入

在设计过程中笔者发现,在 PMCAD主菜单①中交互式输入不同的地震分组和场地类别信息,其砌体抗震计算结果却是一样的。图 1为 PMCAD主菜单①PM交互式输入设计参数对话框地震信息页的输入参数。后经分析得知,设计交互式输入适用于各种类型结构的建模,其参数输入要兼顾各种结构。对于多、高层钢筋混凝土结构和钢结构,采用振型分解法计算地震作用,地震影响系数由地震烈度、场地类别、设计地震分组等参数确定;对于砌体结构,采用底部剪力法计算地震作用,地震影响系数取最大值 αmax,而 αmax仅与地震烈度有关,与场地类别、设计地震分组无关。

图1 对话框地震信息的输入参数

图2为 PMCAD主菜单⑧砖混结构抗震及其他计算砌体结构计算数据对话框中的输入参数。在该对话框中,与地震有关的参数仅有地震烈度一个,说明砌体结构抗震计算仅需要这一个参数。所以,当地震烈度确定后,在交互输入中输入的场地类别、设计地震分组参数在砌体结构抗震计算中不起作用。

2.2 地震影响系数

根据《汉源县城新址场地地震安全性评价报告》(四川省地震局工程地震研究所),本工程批准的地震加速度值为 0.183g,高于 7.5度时的地震加速度值0.15g,低于 8度时的地震加速度值 0.20g。按照《建筑抗震设计规范》表3.2.2抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系,通过线性插值得本工程抗震设防烈度为 7.83。如何在软件抗震设计中合理体现地震影响系数成为棘手的问题,因为目前的软件无法直接输入此特殊系数,加之以往的设计中也极少遇类似情况。后经研究软件得知,新版(07版)软件可以解决此问题,且此系数需要在底部框架房屋的上部砌体和底部框架抗震设计中分别体现。

在上部砌体抗震设计中地震烈度输入 7.83,程

图2 PMCAD主菜单⑧对话框中的输入参数

3 上部砌体墙抗剪不足的问题

式中γRE为承载力抗震调整系数,一般取 1.0,当墙体两端均有构造柱时,取 0.9,自承重墙取 0.75;ηc为墙体约束修正系数,一般情况取 1.0,构造柱间距不大于 2.8m时取 1.1;A为墙体横截面面积,多孔砖取毛截面面积;Ac为中部构造柱的横截面总面积(对横墙和内纵墙,Ac＞0.15A时,取 0.15A;对外纵序根据输入的地震烈度按以下插值公式计算水平地震影响系数最大值:

式中 αmax——水平地震影响系数最大值;

X——地震烈度。

通过线性插值得 αmax=0.146。

图3 SAT-8地震信息交互输式

而底部框架抗震设计采用的计算模块为 SAT-8模块,在 SAT-8主菜单①中可完成地震信息的交换式输入(见图3)。墙 Ac＞0.25A时取 0.25A);ζ为中部构造柱参与工作系数,居中设一根时取 0.5,多于一根时取 0.4;ft为中部构造柱的混凝土轴心抗拉强度设计值;fy为构造柱纵向钢筋抗拉强度设计值;As为中部构造柱的纵向钢筋截面总面积(配筋率不小于 0.6%,大于1.4%时取 1.4%)。

对两式分析后不难发现,提高墙体抗剪承载力措施可以从以下方面入手:(1)增加墙体横截面积;(2)提高砂浆强度等级(提高 fv);(3)在大片墙两端设构造柱(γRE取 0.9);(4)增加中部构造柱截面面积(增加构造柱或增大已有构造柱的截面尺寸);(5)提高构造柱混凝土强度等级、增加构造柱钢筋面积、提高构造柱钢筋强度等级等。此外,采用配筋砌体也可以解决墙段抗剪不足的问题。

同时,从《砌体规范》表3.2.2中可以发现:(1)当砂浆强度等级大于 M 10时,砌体的抗剪强度设计值不再提高,与砂浆强度等级等于 M 10时相同;(2)沿砌体灰缝截面破坏时,砌体的抗剪强度设计值与块体强度等级无关。

4 底层抗震墙的超筋问题

进行底部框架房屋结构设计时很多人都发现,钢筋混凝土抗震墙设计中很容易超筋,本工程也不例外。超筋的原因是抗震墙数量过少,但是增加抗震墙数量又可能使侧向刚度比不满足规范要求。底框结构底部抗震墙的数量由构造要求和层间刚度比控制。抗震墙的侧移刚度由剪切刚度和弯曲刚度组成,而弯曲刚度与墙宽的立方成正比,因此墙体越宽,需要的墙体数量就越少。但是,墙体越少,每片墙的内力就越大,就越容易超筋。

由于底部抗震墙的高度较低(一层或两层),墙体较宽时容易形成破坏形式为剪切破坏的低矮抗震墙,为此,《抗震规范》7.5.5条作出了底部抗震墙宜开设洞口形成若干墙段,各墙段的高宽比不宜小于2的规定。对不便开设洞口的底层框架—抗震墙房屋的底层带边框抗震墙,应在墙中设置竖缝使墙体分成两个或三个高宽比大于 1.5的墙板单元。

一般大家多会采用在较长的抗震墙上开设洞口的方法来削弱抗震墙的刚度以增加抗震墙的数量(见图4)。这当然是一个很有效的办法,但是必须特别注意,PMCAD目前的版本对带洞口钢筋混凝土抗震墙均按小洞口墙处理,即洞口影响系数 α大于或等于 0.6或洞口高度大于或等于 0.8倍层高时应将洞口两侧墙段按照独立墙体输入,否则就不满足 PMCAD的计算假定而使计算结果失真。

除了在抗震墙上开设洞口的方法外,还可以采用在抗震墙上开设竖缝的办法来削弱,缝将墙体分成两个或数个高宽比小于 1.5的墙板单元(水平钢筋在竖缝处断开)。根据笔者的经验,这一方法快速有效,可大大减少调整抗震墙的工作量。

图4 抗震墙开洞示意

5 其他

虽然在 6.7度区总层数不超过 5层的底部框架房屋允许采用嵌砌在框架间的砌体抗震墙,但本次设计笔者并没有采用,而是采用了钢筋混凝土抗震墙。这是因为此类结构房屋在使用期间往往监管不到位,使业主(移民)可以任意将底层的砌体抗震墙作为填充墙拆除,使底层变为纯框架结构,对建筑的抗震设防极为不利,而此种案例并不鲜见。