芦山灾后重建项目结构设计
2014-07-16许京梦
许京梦
(中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都 610042)
2013年4月20日,四川省雅安市芦山县发生7.0级地震,震源深度13 km。震中芦山县龙门乡99%以上的房屋垮塌,受灾人口达152万人,受灾面积12 500 km2。芦山县距离雅安市市区33 km,位于龙门山前缘构造带南段。此次地震是继2008年汶川地震后,发生于龙门山断裂带上的又一严重破坏性地震灾害,震中距汶川地震震中仅有约90 km。地震发生后,政府及企事业单位针对芦山受灾情况迅速展开救灾与恢复重建工作。笔者所在的设计院承担了部分灾后重建建筑的设计任务,芦山县龙门乡的村级公共服务中心即为其中之一。为了更好地给灾后重建提供指导依据,四川省地震局对芦山地震有关区域的抗震设防要求进行了相关调整[1],其中,芦山县龙门乡抗震设防烈度为7度,设计基本地震动峰值为0.15g,设计地震分组为第二组,与GB 50011-2010建筑抗震设计规范一致。村级公共服务中心项目位于雅安市芦山县龙门乡。主体结构三层,总高度约14.50 m,采用坡屋面造型(见图1)。主体结构采用框架结构,抗震设防等级为三级。柱截面为400 mm×400 mm,主梁截面200 mm×650 mm,次梁截面为200 mm×550 mm。典型平面图见图2。
图1 村级公共服务中心(效果图)
图2 结构典型平面布置图(第二层)
1 地梁设计
根据地质勘察报告,场地内地质较为稳定,无软弱层、液化土层,基础采用稍密卵石层作为持力层,基础形式采用独立基础,埋深为 1.50 m。根据 GB 50011-2010 建筑抗震设计规范[2]6.1.11条规定,该项目为三级框架,各柱基础底面在重力荷载代表值作用下的压应力差别不大,基础为独立基础且埋置较浅,无软弱及液化土层,可不设置基础系梁(即地梁)。为比较经济性,分别就有无地梁进行计算并统计混凝土及钢筋用量(见表1)。
表1 有无地梁层时材料用量比较
由此可以看出,在满足结构抗震要求的前提下,取消地梁层可减少混凝土及钢筋用量。由于基础埋深较浅,若设置地梁,基础顶面至地梁层间的柱都会成为短柱,需满足体积配箍率不小于1.2%的要求,不仅增加箍筋用量,而且不利于结构受力。同时,由于地梁将隔墙荷载传递至基础,会增加基础面积及配筋。综上,设计采用无地梁层方案。
2 楼梯间设计
楼梯作为房屋建筑的辅助构件,在地震中是重要的生命通道。但汶川和芦山地震震害表明,楼梯间的破坏相当严重。楼梯间的主要破坏形式包括:样板沿板宽方向出现贯通裂缝或钢筋断裂;平台梁梁端及上下梯板相交处破坏;平台板出现受拉裂缝或上下梯板相交处出现剪切裂缝;平台梯柱及节点出现柱端破坏等[3-5]。芦山地震中,也表现出类似的破坏特征[6]。地震时,楼梯梯板的斜撑效应使得楼梯间刚度增大,承受地震力较设计值增大,最终导致楼梯发生破坏。此次设计中,采取以下措施,增强楼梯间的安全性:1)楼梯斜板采用双层双向贯通配筋,斜板沿梯板方向上下部配筋适当加强;2)梯梁全长范围内箍筋加密,增强梯梁的抗剪承载力;3)斜梯板下部采用滑动支座,弱化楼梯与主体结构的连接,使楼梯段在水平地震作用下只产生相对水平位移,而不会在梯板段产生拉压应力,减小对框架柱的剪力;4)由于平台处于半层高位置,使得与平台相连的框架柱形成短柱,设计时沿柱高范围加强配箍率,满足短柱最小体积配箍率的要求。楼梯滑动支座大样图见图3。
3 结构设计中短柱问题
在结构设计中,由于楼梯间平台及斜屋面等会造成框架柱局部出现短柱,由于水平地震力根据刚度分配剪力,短柱的刚度较其他柱要大,容易发生剪切破坏的脆性破坏。而现行规范中并未提出改善短柱抗震性能的具体措施,因此应在结构方案中尽量避免形成短柱。本项目中,由于设置地梁会造成基础顶面至地坪高度范围内的框架柱形成短柱,故综合考虑后,取消地梁。
而对于楼梯平台及斜坡屋面等由于使用功能要求而形成的短柱,则根据抗规要求,增大箍筋配筋,满足短柱体积配箍率的要求。
图3 楼梯滑动支座大样
4 结语
通过对芦山灾后重建项目的设计分析,针对框架结构的抗震设计,提出以下几点建议:1)地梁在设计时,需要综合考虑结构需求及工程造价等因素,尤其需要注意地梁设置后的短柱问题,在满足结构抗震要求的情况下,可取消地梁,避免短柱的产生;2)楼梯间作为地震发生时的重要逃生通道,需进行抗震设计。为尽量减小对主体结构的影响,可采用滑动支座的形式,并对斜梯段及梯梁进行适当的构造加强;3)结构设计中尽量避免产生短柱,当由于使用功能要求不可避免产生短柱时,需满足短柱体积配箍率的要求。
[1]川震防发[2013]74号,四川省地震局关于“4·20”芦山地震有关区域抗震设防要求建议的通知[Z].
[2]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].
[3]冯 远,刘宜丰,肖克艰,等.来自汶川大地震亲历者的第一手资料——结构工程师的视界与思考[M].北京:中国建筑工业出版社,2009.
[4]苏启旺,蔡宏儒,李 力.从“汶川大地震”引发对板式楼梯设计的思考[J].四川建筑科学研究,2008,34(4):165-167.
[5]沈 靓,柳炳康,张瑜中,等.汶川地震中框架楼梯典型震害分析与有限元计算[J].工程抗震与加固改造,2010,32(4):114-119.
[6]张令心,刘 琛,刘洁平.芦山地震楼梯间震害调查及思考[J].地震工程与工程振动,2013,33(4):21-25.