结构构件的合适截面选择

结构构件的合适截面选择
1．综述
板柱结构是一种经常被采用的结构体系，它具有不少优点，如施工支模及绑扎钢筋较简单，结构本身高度较小，可以减少建筑物的层高，从而降低建筑物的造价等等，但由于此种结构在遭受较强地震作用时，其板柱节点的抗震性能不如有梁的梁柱节点，此外，地震作用产生的不平衡弯矩要由板柱节点传递，它在柱周边将产生较大的附加应力，当剪应力很大而又缺乏有效的抗剪措施时，有可能发生冲切破坏，甚至导致结构的连续破坏。因此，新的抗震规范对于板柱-抗震墙结构的适用高度，作了较严格的规定。但是，实际工程中，对于板柱结构还是有大量要求的，本文目的，是想提供一些措施，使板柱结构可以建筑得更高一些，以满足实际需求。
震害实例（略）
由于板柱结构（无抗震墙者）抗震性能较差，北京市建筑设计院1992年出版的《结构专业技术措施》中规定，在抗震设防烈度为6度的地区，层数不能超过四层，房屋总高不能超过16m，7度区为三层及12m，8度区为二层及8m。（以上指未设抗震墙的板柱结构）新的抗震规范GB50011-2001对于板柱结构作了比较严格的规定，例如，对于适用最大高度，6、7、8度区分别为40，35，30米；抗震墙应能承担全部地震作用，板柱部分能额外承担全部地震作用的20%；沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋，有数量的要求（抗震规范6.6.9式）等等。
在抗震规范表6.1.1，现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度中，有板柱-抗震墙结构，但是没有不设抗震墙的板柱结构，它的意思是，不推荐采用不设抗震墙的板柱结构。
此外，目前有一种说法：抗震规范对于各种结构体系的房屋，都有一个“限制高度”，这是一个误解。的确，包括过去的抗震规范都提出了“适用的最大高度”，但这并不是“限制高度”，它的意思是，在使用该规范进行设计，并遵守规范的计算、构造等一系列要求，各种体系在各设防烈度时，该规范的适用范围，是多少高度。例如，在8度区，框架-抗震墙按该规范设计时，适用到100m高度。如果建筑物高度需要高于100m,就需采取比规范内容更严格的措施（包括计算与构造），并经过规定的审查，只要符合要求，是可以超过抗震规范表6.1.1中的高度的。总之，并无“限高”的说法。如果限制高度，只许建多少米，岂不是限制了科技的进步？
新抗震规范对于板柱-抗震墙的适用高度，规定得较低，这对于一般的高层建筑，是远远不够用的。是否可以建得更高一些，可以根据从震害分析着手：
美国阿拉斯加四季公寓的倒塌，往往被认为是板柱-抗震墙性能不好的一个例证。但从林同炎事务所的分析报告来看，该工程的设计按100%地震力由核心筒来承担，在承载力方面也是足够的，只因施工单位在钢筋接头上未按规定施工，才造成严重破坏。
阿尔及利亚的倒塌事故，是由于该工程为纯板柱结构（楼板为双向密勒，无梁），层高较高，跨度也较大。此种结构不能抵抗地震是不足为奇的，也不提倡此类结构。
1985年墨西哥地震，板柱结构遭受破坏，主要由于板柱节点抗冲切能力不足，如果按我国新的抗震规范的要求去设计，再在冲切方法上作改进，并加强抗震墙的构造，这类破坏是可以避免的。
综上所述，板柱结构的破坏主要是：
①．　未布置一定数量的抗震墙，因而地震作用全由板柱框架承受。由于未布置抗震墙，此种结构的节点刚度又相对较弱，因此侧向位移常较大。由于它延性差，抗弯和变形能力很弱，再加上P-⊿效应，在强震时造成严重破坏甚至倒塌是很可能的。
②．　板柱节点处，楼板抗冲切能力差。在柱子周边板内，未设置抗冲切的钢筋，或设置得不恰当，节点处不平衡弯矩对楼板造成的附加剪应力未适当考虑，柱周边板的厚度不够，使抗剪箍筋不易充分发挥作用，或柱子纵筋在节点处滑移。
由于这些原因，在强震时使墙板产生冲切破坏，随之楼板坠落，造成巨大损失。
明白了板柱的破坏原因，采取相应有效的措施之后，板柱-抗震墙结构的抗震性能，将能有很大的提高，其设计强度也将提高。顺便指出，抗震规范6.1.1条文编制说明内，“框架-核心筒结构中，带有一部分仅承受竖向荷载的无梁楼板时，不作为板柱-抗震墙结构”，此种结构可按框架-核心筒考虑，但应考虑本文“设计建议”中的各条要求。
2．板柱-抗震墙的设计建议
2．1结构布置
2．1．1应布置足够数量的抗震墙（包括核心筒），墙的位置宜避免偏心。
2．1．2在房屋周边，应布置边梁，以形成周边框架。如在周边布置确有困难，则应在其他部位布置一定数量的框架梁，使结构形成板柱-框架-抗震墙的综合体系。此种布置，不属于抗震规范中的板柱-抗震墙结构。
2．1．3抗震墙的厚度不应小于180mm，且不应小于层高的1/20，底部加强部位的抗震墙厚度不应小于200mm，且不应小于层高的1/16（可取层高及无支长度二者中较小值计算）。
2．1．4单片抗震墙的两端应设置端柱，楼层处应设置暗梁。筒体墙的端部应设置端柱或暗柱，楼层处应设置暗梁。
2．1．5抗震等级的选用：可比抗震规范表6.1.1中之“板柱-抗震墙结构”一栏所规定者，提高一级，但原为一级者，不必提高（房屋高度不超过抗震规范中的规定时，抗震等级不必提高）。
2．2设计计算
2．2．1抗震墙（核心筒）应承担结构的全部地震作用，各层梁柱框架应能承担不少于各层全部地震作用的20%，也即，墙与框架承担的地震作用总和为120%的全部地震作用。板柱框架不考虑承受地震作用，但仍应按抗震构造。
2．2．2当房屋高度超过抗震规范表6.1.1之规定值时，其楼层的最大弹性层间位移角限值应取为1/1000。
2．2．3楼板在柱周边临界截面的冲切应力，宜控制在较低水平，一般不宜超过允许值0.7ft的75%。
2．2．4当地震作用能导致柱上板带的支座弯矩反号时，应验算图中虚线截面的冲切承载力。
2．2．5板柱结构在地震作用下按等代框架分析时，其等代梁的宽度采用：
①．框架方向跨度的3/4以及
②.垂直于等代框架方向柱距的1/2
两者中的小值。
2．2．6沿两个主轴方向通过柱截面的板底连续钢筋的总截面面积，应符合下式要求：
AS≥NG/fy
式中，AS——板底连续钢筋总截面面积。可按每方向1/2AS配置，此钢筋应位于柱截面范围内。
NG——各层楼板传到柱子的轴压力，取设计值
fy——该连续钢筋的抗拉强度设计值。
2．2．7应考虑由于板柱节点处的不平衡弯矩引起的附加剪应力。
2．3构造
2．3．1　8度时宜采用有托板的板柱节点，托板根部的厚度（包括板厚）不宜小于柱纵筋直径的16倍。托板的边长不宜小于4倍板厚及截面相映边长之和。7度时也宜尽可能设置托板。
2．3．2　宜在柱上板带中设置暗梁。暗梁宽度可取柱宽及柱两侧各1.5倍板厚。暗梁支座上部钢筋面积应不小于柱上板带钢筋面积的50%（此钢筋可作为柱上板带负弯矩钢筋的一部分），暗梁下部钢筋不宜少于上部钢筋的1/2。
暗梁箍筋的配置：当计算不需要时，箍筋直径不小于8mm，间距≤3/4h0,肢距≤2h0；当计算需要时，箍筋直径按计算确定，但不小于10mm，间距≤0.5h0,　肢距≤1.5h0.　h0为板截面有效高度（不包括托板厚度）
2．3．3柱上板带支座处暗梁的上部钢筋，至少1/4应在跨度方向通长。
2．3．4尽可能采用高效能的“抗剪栓钉”，以提高板柱结构的抗冲切性能。
3．结论
当设计及构造采取上述全部建议后，作者认为，此类结构的适用高度，可按抗震规范表6.1.1中框架-抗震墙结构取用。