混凝土小型空心砌块房屋的结构抗震设计研究

2018-02-26王学军刘晓强

山西建筑 2018年3期

王学军何伟刘晓强

(1.山西省农牧业规划设计研究院，山西太原 030001; 2.上海兴涛建筑结构设计事务所，上海 200092)

0 引言

随着砌体房屋承重墙体材料的发展和黏土烧结多孔砖被限制使用，混凝土小型空心砌块房屋结构设计会越来越多。8度地震区6层混凝土小型空心砌块房屋是符合现行规范的，是不超限的，扎实地做好这类房屋的结构设计研究与分析是非常需要的。混凝土小型空心砌块尺寸的规格按05J102—1混凝土小型空心砌块墙体建筑构造中的190 mm,280 mm和90 mm砌块选用。

1 满足规范要求的房屋承重墙体材料的选择及其重量的计算

准确计算房屋承重墙体材料容重，使计算的地震作用贴近砌块房屋建筑的真实情况是结构计算和结构设计的重要环节。按GB 50011—2010建筑抗震设计规范(以下简称抗规)7.4.2条小砌块芯柱截面不宜小于120 mm×120 mm的要求，则190系列混凝土小型空心砌块的空心率为不小于38.9%，按GB 50003—2011砌体结构设计规范(以下简称砌体规范)2.1.8条混凝土小型空心砌块的孔洞率最大为50%。按砌体规范2.1.5条烧结多孔砖的孔洞率不大于35%。

选取的承重墙体材料为：混凝土小型空心砌块按390 mm×190 mm×190 mm、孔洞率为50%考虑。本文中引用的实际工程采用DP3型多孔砖(240 mm×115 mm×115 mm，孔洞率为31.6%,容重为12.25 kN/m3，生产线从联邦德国引进)。这两种承重墙体材料均满足规范要求。墙面抹灰按双面水泥砂浆考虑。

墙体厚度190 mm的单位面积混凝土小型空心砌块(按总孔数1/4灌芯计算)墙重量=0.95×0.97×0.19×24×(0.50+0.5/4)+(1-0.95×0.97)×20×0.19=2.626 3+0.298 3=2.924 6 kN/m2，混凝土小型空心砌块砌体容重=2.924 6/0.19=15.392 6 kN/m3。换算为结构软件计算用的砌体容重=(2.924 6+0.02×20×2)/0.19=19.603 kN/m3。

墙体厚度240 mm的单位面积DP3型烧结多孔砖墙重量=4×0.115×(0.92+0.96)×0.24×12.25+[1-4×0.115×(0.92+0.96)]×20×0.24+0.01×0.115×0.96×(20-12.25)×4=2.542 5+0.649 0+0.034 2=3.225 7 kN/m2，DP3型烧结多孔砖砌体容重=3.225 7/0.24=13.440 4 kN/m3。换算为结构软件计算用的砌体容重=(3.225 7+0.02×20×2)/0.24=16.774 kN/m3。墙体材料单位面积重量计算简图如图1所示。

2 承重墙体抗剪承载力的比较

决定承重墙体抗剪承载力的重要因素是墙体沿砌体灰缝截面破坏时的抗剪强度设计值,这一取值按砌体规范3.2.2条执行。

不同砌体材料墙体抗剪能力的比较采用比强度方法来进行，各种砌体材料墙体抗剪能力排名见表1。

表1 各种砌体材料墙体抗剪能力的比较

用比强度的观点来看，混凝土小型空心砌块墙体的抗剪能力比烧结多孔砖墙体的抗剪能力要降低很多，相当于烧结多孔砖砌体的抗剪能力的46.2%，不到烧结多孔砖砌体的抗剪能力的1/2。8度地震区6层混凝土小型空心砌块房屋虽然规范允许，但其结构设计也是具有很高难度的设计工作。

3 实际工程为背景的结构设计研究

3.1 实际工程情况

太原漪汾苑小区F—8楼为6层住宅楼，平面图见图2。各层高度：1层～5层2.8 m，6层3.0 m。抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅲ类，设计基本地震加速度为0.20g。该楼采用纵横墙体混合承重的结构方案，所有现浇部分的混凝土强度等级为C20。在±0.000以上均采用MU10的DP3型烧结多孔砖；外墙及标高5.53以下的通长内纵墙的墙厚370 mm，其余墙体的厚度均为240 mm；标高11.13以下采用M10水泥砂浆，以上采用M7.5水泥砂浆。在楼层、屋盖平面内，厨房、卫生间、楼梯间、阳台及其一定范围内采用现浇钢筋混凝土板，其余部分采用装配整体式钢筋混凝土空心板。

除按GBJ 11—89建筑抗震设计规范的要求设置构造柱(房屋四角、内墙与外墙交汇处、楼梯间四角)和圈梁(每层设置圈梁、每开间设置圈梁)外，在内纵墙与横墙交接处也布置一排构造柱。构造柱截面为240 mm×240 mm，构造柱在圈梁上下各500 mm范围内加密箍筋，构造柱自筏基底面做起。多布置构造柱以增强砌体房屋结构的延性。该工程已于20世纪90年代初竣工并投入使用。

3.2 实际工程采用混凝土小型空心砌块的结构设计

如果实际工程采用混凝土小型空心砌块(以下简称小砌块)，建筑专业现在楼梯间取消垃圾道布置后，楼梯间外墙的门窗采用居中布置；各层高度不变：1层～5层2.8 m，6层3.0 m；由于屋面保温材料的进步，现在屋面恒载可以减小一些；构造柱布置不变，截面不小于190 mm×190 mm；圈梁每层设置，截面不小于190 mm×200 mm。楼板采用钢筋混凝土现浇板。抗震构造措施和芯柱的布置等按抗规7.4节执行。砌块墙体按总孔数1/4用Cb20混凝土灌芯考虑。抗震设防烈度为8度，场地类别为Ⅲ类，设计基本地震加速度为0.20g。

楼面恒载3.50 kN/m2，楼梯间恒载3.70 kN/m2，阳台恒载5.50 kN/m2(考虑阳台栏板重量)，卫生间、楼梯间、阳台活载2.50 kN/m2，其余楼面活载2.0 kN/m2；屋面恒载4.0 kN/m2，屋面活载0.5 kN/m2。小砌块房屋楼面荷载与实际工程接近。

内横墙厚度全部为190 mm；北外墙1层～3层厚390 mm，4层～6层及其他外墙厚280 mm；1层～3层通长内纵墙厚390 mm，其他内纵墙厚280 mm，4层～6层内纵墙厚190 mm。1层～4层采用M10水泥砂浆，5层,6层采用M7.5水泥砂浆。隔墙采用90 mm厚砌块，其墙体抗剪能力不考虑，其重量按荷载输入。

结构计算采用中国建筑科学研究院PKPM软件2010版v3.1.5，墙体砌体容重按19.60 kN/m3输入。

3.3 结构抗震设计研究

3.3.1小砌块墙体的抗剪能力分析

8度抗震区多层房屋抗震计算较弱的部位一般是在纵向，主要是纵墙的数量少于横墙的数量，且纵墙上开窗开门也多。本文实际工程满足8度抗震要求的6层房屋采用小砌块和多孔砖两种砌体墙体厚度的比较见表2。小砌块房屋4层～6层内墙厚度190 mm，单位面积重量2.924 6 kN/m2，外墙厚280 mm；3层通长纵墙厚度1 060 mm，其他纵墙厚280 mm。烧结多孔砖房屋4层～6层内墙厚度240 mm，单位面积重量3.225 7 kN/m2，外墙厚370 mm；3层通长纵墙厚度980 mm，其他纵墙厚240 mm。

可以看到在3层墙体的计算截面上，小砌块房屋的重量小于多孔砖房屋的重量，且地震作用与房屋的重量成正比，因此得出小砌块房屋的地震作用要小于多孔砖房屋的地震作用，但小砌块房屋需要的抗震墙截面面积要大于多孔砖房屋需要的抗震墙截面面积，所以工程结构计算结果证明了小砌块墙体的抗剪能力比烧结多孔砖墙体的抗剪能力要低这一客观事实。这与用比强度概念分析得出的结论是一致的。

表2 6层房屋两种砌体墙体厚度的比较 mm

3.3.2小砌块构造措施

8度抗震区是抗震的高烈度区，满足抗震要求的6层小砌块房屋的北外墙1层～3层厚度390 mm，1层～3层通长内纵墙厚390 mm。平面内出现了墙厚390 mm与墙厚280 mm、墙厚390 mm与墙厚190 mm、墙厚390 mm与墙厚390 mm的交接节点，竖向出现了墙厚390 mm与墙厚280 mm、墙厚390 mm与墙厚190 mm的交接节点，均需要做好小砌块的配型及相应构造措施处理。

3.3.3小砌块空心率范围的确定

砌体规范2.1.8条要求混凝土小型空心砌块的空心率为25%～50%。砌体规范3.2.2条混凝土砖砌体(可视为与空心率为零的小砌块砌体相当)抗剪强度设计值为0.17 MPa，小砌块砌体的为0.09 MPa，相当于小砌块空心率为47%。由此得出小砌块空心率范围在38.9%～47%，是不利于房屋抗震验算结果；因为在这一范围相当于一部分小砌块砌体的抗剪承载力不被计算，而地震作用照算不误。在保证砌体材料抗剪能力充分使用的前提下，结构设计只能选择小砌块空心率47%～50%。