摘要：伴隨著我國混凝土行業(yè)、高層建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展,行業(yè)規(guī)范越來越嚴格,對混凝土制品的品質(zhì)的標準也更高,這在一定程度上也加快和推廣了大跨度版主的發(fā)展和應(yīng)用。再就是大跨度板柱體系在經(jīng)濟方面和混凝土密肋梁板相比較也具有很大優(yōu)勢。在下文中,對大跨度板柱體系和混凝土密肋梁板體系在抗震性能和經(jīng)濟性方面作計算分析比較。

　　一、結(jié)構(gòu)方案概述及計算分析結(jié)果

　　本工程處于8度抗震設(shè)防烈度區(qū),屬三類場地,基本風壓0.35kN/m2,框架抗震等級三級。X方向總長7.3x6=43.8米,Y方向總長8.2x3=24.6米。大跨度板柱體系:結(jié)構(gòu)總高度為3.0米x9層=27米,框架柱600x600,外圍框架梁考慮到門窗洞口的設(shè)置以及避免形成邊框架扁梁偏心的因素,采用300x600,其余內(nèi)框架梁800x400,次梁400x400;混凝土密肋梁板體系:結(jié)構(gòu)總高度為3.3米x9層=29.7米,框架柱600x600,框架梁300x600,次梁250x500。

　　現(xiàn)在用中國建筑科學研究院PKPM系列SATWE軟件依次對它們進行計算分析,來研究大跨度板柱與普通混凝土密肋梁板兩種方案的地震作用效應(yīng)。我們通過數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)明顯看到:當?shù)卣鹱饔脮r,兩種板柱體系表現(xiàn)出近似的地震效應(yīng),特別是處于兩個方向同時產(chǎn)生地震平動效應(yīng)。混凝土密肋梁板體系擁有較高的空間抗側(cè)強度,而大跨度板柱體系又具有相對高的空間抗扭強度。原因在于:處在水平地震受力下,混凝土密肋梁板具有很高的抗彎強度,柱端受到的約束作用力相對較強,完全抵消了高空間的影響后表現(xiàn)出更大的空間強度;但大跨度板柱在建筑平面內(nèi)的約束卻擁有更大的強度,因而展現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)整體抗扭性能,當?shù)挚沟卣鹋まD(zhuǎn)作用時充分發(fā)揮了這些強度的平衡作用。以上結(jié)論對我們具有一定的參考價值,對這兩方面的地震反應(yīng)特點進行結(jié)構(gòu)概念設(shè)計,結(jié)構(gòu)方案選擇時應(yīng)予以重視。

　　二、通過比較來看兩種結(jié)構(gòu)方案的經(jīng)濟性

　　我們通過數(shù)據(jù)可以分析出,選擇混凝土密肋梁板體系比采用大跨度板柱體系節(jié)省鋼筋用量28%左右,節(jié)省混凝土用量10%左右,如果采用大跨度板柱體系當可以將高度差范圍的維護結(jié)構(gòu)(框架填充墻以及玻璃幕墻等)的費用節(jié)省。如果放棄結(jié)構(gòu)總高度的因素下,運用混凝土密肋梁板體系具有相對的經(jīng)濟優(yōu)勢,相反,如果是結(jié)構(gòu)總高度設(shè)為確定值的狀況下,運用大跨度板柱體系當擁有可以在本來建筑基礎(chǔ)上再遞增一重的經(jīng)濟效應(yīng),這對現(xiàn)在寸土寸金的購地建筑中能大大降低成本,具有明顯的優(yōu)勢!

　　三、大跨度板柱的設(shè)計構(gòu)造要求

　　在構(gòu)造設(shè)置過程當中,大跨度板柱的寬高比不能過大,即使能符合當下《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.3.2條的規(guī)定:a)梁截面寬度≤2倍柱截面寬度;b)梁截面寬度≤柱截面寬度+梁截面高度;c)梁截面高度≥16倍柱縱筋直徑的規(guī)定,而規(guī)定所允許的條件,是大跨度板柱設(shè)置的最低限度準則。在大跨度板柱寬高比過大(接近規(guī)定要求限定值)的時候,它的傳力機理更加多變,節(jié)點外關(guān)鍵區(qū)抗扭變數(shù)成為關(guān)鍵難題。因為當下的試驗數(shù)量不多,和大跨度板柱柱節(jié)點相關(guān)的研究還在不斷的研究和完善之中,故而對構(gòu)造設(shè)置的工作人員來說,運用寬高比過大的設(shè)置,對于強度和裂縫控制層面是需要冒一定的風險的。當前面對大跨度板柱的設(shè)置方案通常采用比較嚴格的設(shè)計要求配筋,最后再按照結(jié)構(gòu)分析計算結(jié)果對比復核。其設(shè)計要求為:

　　1.關(guān)于框架節(jié)點關(guān)鍵區(qū)中水平抗剪箍筋的設(shè)計:大跨度板柱框架節(jié)點關(guān)鍵區(qū)水平抗剪箍筋除了于內(nèi)核心區(qū)柱內(nèi)按照實施的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求設(shè)計之外,另外要在外核心區(qū)周邊設(shè)計:二級抗震等級≥€%o13@100;二、三級抗震等級≥€%o9@100;非抗震等級≥€%o7@100;可利用大跨度板柱腰筋雙向貫通設(shè)置雙向大跨度板柱節(jié)點。可利用大跨度板柱腰筋雙向貫通附加另向水平拉結(jié)筋設(shè)置單向大跨度板柱節(jié)點。

　　2.關(guān)于板柱節(jié)點關(guān)鍵區(qū)抗扭縱筋設(shè)置:雙向大跨度板柱柱高相等時,應(yīng)運用計算標準增加板柱縱向鋼筋配置;雙向大跨度板柱柱高不等時,應(yīng)在矮大跨度板柱方向外關(guān)鍵區(qū)底部增加朝上開口箍筋配置底部抗扭縱筋;單向混凝土大跨度板柱時,應(yīng)通過設(shè)置節(jié)點關(guān)鍵區(qū)附加封閉箍筋構(gòu)成。應(yīng)當運用附加箍筋形式時,其構(gòu)造要求為:二級抗震等級≥€%o13@100;二、三級抗震等級≥€%o9@100;非抗震等級≥€%o8@200。

　　3.關(guān)于板柱節(jié)點外關(guān)鍵區(qū)周邊抗扭封邊箍筋設(shè)置:節(jié)點外關(guān)鍵區(qū)大跨度板柱縱向鋼筋和節(jié)點外關(guān)鍵區(qū)角部附加垂直拉筋焊接或搭接配置,附加垂直拉筋的配置要求:二級抗震等級≥€%o13@100;二、三級抗震等級≥€%o9@100;非抗震等級≥€%o8@100。

　　四、采用大跨度板柱體系應(yīng)注意的幾個問題

　　1.在一定條件下,大跨度板柱的設(shè)計會由強度控制轉(zhuǎn)化為由構(gòu)件裂縫寬度和撓度控制,這個條件就是:大跨度板柱一側(cè)的受拉鋼筋配筋率達到3.0%左右。依據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中第8.1.1條規(guī)定,當按照結(jié)構(gòu)所處環(huán)境情況和結(jié)構(gòu)不同來確定相對的裂縫控制等級和最大裂縫寬度限值。因此對于一般混凝土建筑進行驗算的控制要求是:裂縫寬度限值應(yīng)按0.25mm,屋頂負彎矩區(qū)應(yīng)按0.18mm的標準進行。撓度驗算有時候會起到?jīng)Q定性的作用,這是因為大跨度板柱對豎向荷載的抗彎強度相對較弱,所以,在建筑頂層永久荷載相對較大而活荷載相對微弱,必須考慮荷載長久效應(yīng)受力影響的長久強度BL=MsBs/[ML(€%a-1)+Ms]計算的時候,永久荷載所占據(jù)比例越大,那么BL就越小,撓度就會越大。

　　2.在大跨度板柱的設(shè)計過程中,大跨度板柱的裂縫寬度及撓度的控制常常趨近現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的限定值。假如在混凝土固化、養(yǎng)護中間由于施工因素導致的微弱傷損在之后結(jié)構(gòu)交付使用后會更加容易增大,會對結(jié)構(gòu)的安全運用產(chǎn)生很不利的影響,嚴重的會危急到結(jié)構(gòu)安全,因此在施工中間需要強化對大跨度板柱的混凝土養(yǎng)護狀態(tài)的監(jiān)測和必要的保護。如果需要,應(yīng)在梁柱節(jié)點區(qū)應(yīng)用在混凝土中加入一定量得鋼纖維的做法,從而加強大跨度板柱柱節(jié)點初裂承載力以及極限承載力,從而優(yōu)化混凝土的裂縫形態(tài),讓裂縫更均勻、更細。

　　3在裂縫同撓度于具體施工當中形成主要沖突時,當前我國大多采用后張法預應(yīng)力混凝土大跨度板柱的設(shè)計方案,在使用這種結(jié)構(gòu)方案時,由于大跨度板柱的截面慣性矩相應(yīng)比較小,因此預應(yīng)力張拉施工期間常常是使用此方案體系受力的最不適宜的階段。

　　五、結(jié)論

　　1.大跨度板柱和混凝土密肋梁板體系于一樣的地震效應(yīng)情況下表現(xiàn)出相似的地震平動效果:肋梁體系擁有相應(yīng)稍高的建筑抗側(cè)強度,大跨度板柱體系擁有相應(yīng)稍高的建筑抗扭強度。

　　2.因為當前階段對于大跨度板柱柱節(jié)點的研究還不全全面,因此現(xiàn)在在使用大跨度板柱體系構(gòu)造設(shè)計時應(yīng)該按照較為嚴謹?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計標準。

　　3.使用大跨度板柱體系比使用混凝土密肋梁板體系方案能夠明顯減小建筑層高,實現(xiàn)結(jié)構(gòu)凈高目的,如果放棄結(jié)構(gòu)總高度的限制效應(yīng),使用后者方案的單位工程總造價將節(jié)省將近6%。當在乎結(jié)構(gòu)總高度限制效應(yīng)的狀況下,大跨度板柱體系會擁有更大的經(jīng)濟綜合效益。因為大跨度板柱體系中空間內(nèi)梁底同現(xiàn)澆板底的高差相差不是太大,構(gòu)造比較美觀,通常情況下當可節(jié)省空間內(nèi)內(nèi)頂?shù)难b飾成本。

　　4.在使用大跨度板柱體系中,撓度和裂縫的把握是構(gòu)造設(shè)計進程的關(guān)鍵,在現(xiàn)實條件不能合乎設(shè)計普通鋼筋混凝土大跨度板柱體系時,應(yīng)使用預應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土技術(shù)從而改善混凝土材料的構(gòu)成關(guān)系、改變梁的受力效應(yīng)等方案來處理。

　　支撐結(jié)構(gòu)的強度嚴重影響了大跨度板柱空間網(wǎng)格的受力效應(yīng)。在空間網(wǎng)格被托起在西昌的柱子上時,它相當于一塊連接在柔性柱頂?shù)膭傂詸M隔板,彼此合理銜接,承托拉緊。這種空間結(jié)構(gòu)的橫向拉伸由柱子的豎向懸臂作用和通過柱間剪刀撐得到支持。當構(gòu)造柱間支撐時需要小心切勿把這種空間結(jié)構(gòu)的溫度伸縮變形過分約束,要留有合理的效應(yīng)伸縮空間。要達到這種目的,通常是運用在矩形板柱平面的各邊中部的柱間加設(shè)剪刀撐。如此水平地震力就會依據(jù)柱子的各自相對強度進行比例分配。

　　近幾年,大跨度建筑大量涌現(xiàn),特別是大跨度板柱體系和混凝土密肋梁板這兩種新的結(jié)構(gòu)體系的較多應(yīng)用,大跨度建筑已逐漸商品化,作為投資者,希望所建的工程價廉物美,在滿足市場需要的同時,個人或企業(yè)有所發(fā)展,而作為客戶需求方則既考慮造價,又考慮建筑物的質(zhì)量,也就是綜合考慮結(jié)構(gòu)的抗震性能及經(jīng)濟指標。通過抗震及經(jīng)濟性能分析,尋找合理的使用范圍,對更好的發(fā)展大跨度大空間建設(shè)、滿足社會長遠的生活需要、建設(shè)更好更多的綠色大跨度建筑體系具有重要意義。

　　大跨度板柱體系空間結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)合理、造型豐富多彩等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于各類大跨度公共建筑中。諸如體育館、展覽館、機庫、候車廳、候機庫、大型內(nèi)游樂中心、商業(yè)中心等大跨度建筑,這類建筑重要性等級通常較高,一旦破壞,將對人民的生命財產(chǎn)造成嚴重危害,所以,對空間結(jié)構(gòu)進行謹慎、細致的抗震設(shè)計具有十分重要的意義。

　　對于地震力與所要求的結(jié)構(gòu)延性建立對應(yīng)關(guān)系,國外一般有如下三種設(shè)計方案:

　　(1)較高地震力——較低延性方案;

　　(2)中等地震力——中等延性方案;

　　(3)較低地震力——較高延性方案。

　　能夠保證結(jié)構(gòu)的承載力的是高地震力方案,低地震力方案主要是保證結(jié)構(gòu)的延性。當在現(xiàn)實的震害中,此三類預防方案,無論經(jīng)濟性還是抗震能力來看,都可達到防震目的要求。

　　我國的抗震設(shè)計采用的是方案(3)即較低地震力——較高延性方案,即采用明顯小于設(shè)防烈度的小震地面運動加速度來確定結(jié)構(gòu)的設(shè)計地震作用,并將它與其他荷載內(nèi)力進行組合,進行截面設(shè)計,通過鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在屈服后的地震反應(yīng)過程中形成較為有利的耗能機構(gòu),使結(jié)構(gòu)主要的耗能部位具有良好的屈服后變形能力,來實現(xiàn)“大震不倒”的目標。