哈尔滨地区6层住宅建筑结构对比设计与分析.pdf

第 43 卷 第 10 期 2013 年 5 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 10 May 2013 哈尔滨地区 6 层住宅建筑结构对比设计与分析 * 王凤来 1， 张孝存1， 张 厚 2 1 哈尔滨工业大学土木工程学院，哈尔滨 150090; 2 黑龙江省建设集团有限公司，哈尔滨 150046 ［摘要］为对比配筋砌块砌体结构与砖混结构混凝土实心砖在建设多层住宅建筑方面的优劣， 对同一栋 6 层 住宅建筑， 分别采用配筋砌块砌体结构和砖混结构两种结构体系进行结构设计， 在各层楼板配筋和建筑构造完全 相同的前提下， 进行了详细的造价和结构性能分析， 得出采用配筋砌块砌体结构具有节约材料、 降低工程造价、 增 加建筑使用面积、 提高结构抗剪承载力与抗震性能等诸多优势， 证明该结构是适合于多层住宅建筑的结构体系。 ［关键词］多层建筑; 配筋砌块砌体结构; 砖混结构; 经济性; 安全性; 抗震性能 中图分类号TU365文献标识码A 文章编号1002- 848X201310- 0055- 04 Comparison of structural design and analysis of a 6- storey residential building in Harbin Wang Fenglai1，Zhang Xiaocun1，Zhang Hou2 1 School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China; 2 Heilongjiang Construction Group Co．，Ltd．，Harbin 150046，China AbstractTo compare the pros and cons of reinforced concrete block masonry shear wall structure with brick masonry structure in the area of building multi-storey residential buildings，both reinforced concrete block masonry shear wall structure and brick masonry structure were used for the structure design of a 6-storey residential building． Under the same premise of both the architectural construction and the reinforcement of each floor，a detailed analysis of the project cost and structural perance was carried out，and a conclusion for the construction of multi-storey residential buildings was draw that reinforced concrete block masonry shear wall structure has the advantage of saving material，reducing the project cost， increasing the net area， improving the shearing capacity and seismic perance，and so on，which proves that reinforced concrete block masonry shear wall structure is suitable for multi-storey residential buildings． Keywords multi-story building; reinforced concrete block masonry shear wall structure; brick masonry structure; economy; safety; seismic perance * 国家科技支撑计划项目2011BAE14B05- 03， 住房和城乡建设部 研究开发项目2010-k2- 1， 黑龙江省建设集团有限公司联合科研项 目MH20100436。 作者简介王凤来， 教授， 博导， Emailwflai sina． com。 0引言 目前多层住宅建筑的结构形式仍以砖混结构为 主， 尽管目前已经较少采用烧结粘土砖作为墙体材 料， 但以湿作业为主的生产方式， 仍会消耗大量的资 源、 能源以及劳动力， 其继续发展受到制约 ［1］。相 比之下， 配筋砌块砌体结构不仅使施工周期缩短、 资 源和能源的消耗量减少 ［2］， 而且结构质量易于得到 保证。针对拟建设在哈尔滨城区的某 6 层住宅建筑 顶层带阁楼， 在建筑图完全相同前提下， 分别由 哈尔滨方舟建筑设计院采用砖混结构和哈尔滨工业 大学混凝土及砌体结构研究中心采用配筋砌块砌体 结构进行结构设计， 对完成的两套施工图由黑龙江 省建设集团委托相关单位进行了预算对比分析， 其 所得结论充分体现了配筋砌块砌体结构在建设多层 住宅建筑方面的经济性和安全性优势。 1基本设计资料 工程总建筑面积 3 731. 72m2， 标准层平面每层 2 个单元， 每单元 2 户， 地上 6 层， 无地下室， 顶层带 阁楼， 标准层层高为 3m， 建筑总高度 22. 4m， 采用坡 屋面。结构设计使用年限为 50 年， 建筑抗震设防烈 度为 6 度0. 05g， 设计地震分组为第一组， 建筑抗 震设防分类为标准设防类， 场地类别为Ⅱ类， 建筑结 构安 全 等 级 为 二 级。50 年 一 遇 的 基 本 风 压 为 0. 55kN/m2， 地面粗糙度类别为 B 类， 风荷载体型系 数为 1. 3。两种结构方案的钢筋均采用 HPB235 级 及 HRB335 级。 2结构方案介绍 两种结构的标准层结构布置分别见图 1， 2。图 中仅为结构左侧一个单元的平面图， 右侧另有一个 单元与此单元结构布置对称， 两个单元中间设置 100mm 伸缩缝。 2. 1 砖混结构方案 砌体采用 MU15 混凝土实心砖、 Mb10 砂浆， 楼 板采用 C30 现浇混凝土;门窗过梁、 圈梁及构造柱 均采用 C30 混凝土。建筑外承重墙厚度为 370mm， 伸缩缝处为双墙构造， 墙体厚度均为 240mm， 内承 建筑结构2013 年 墙体面积、 墙体长度及墙体体积对比表 1 层号 墙体面积 /m2 墙体长度 /m 墙体体积 /m3 砖混结构 配筋砌块砌体结构 承重填充 砖混结构 配筋砌块砌体结构 承重填充 砖混结构 配筋砌块砌体结构 承重填充 地下127. 632. 032. 7340. 4168. 4172. 0338. 172. 383. 5 1 层 76. 331. 518. 1261. 3165. 995. 3218. 981. 759. 0 2 层 67. 928. 416. 9238. 4149. 489. 1198. 774. 052. 5 3 层 64. 726. 117. 3228. 1137. 290. 9180. 168. 050. 4 4 层 64. 726. 117. 3228. 1137. 290. 9180. 068. 050. 4 5 层 63. 923. 819. 9229. 7125. 1104. 6173. 860. 546. 1 6 层 58. 323. 815. 8208. 4125. 183. 3161. 060. 546. 9 合计574. 6212. 8150. 71 913. 01 119. 7793. 31 450. 5485. 0388. 8 注地下部分指上部结构墙体由 1 层楼地面延伸至基础顶面的部分， 下文与此相同。 图 1砖混结构标准层结构布置 图 2配筋砌块砌体结构标准层结构布置 重墙厚度为 240mm。纵、 横墙交接处按构造要求设 置构造柱， 并按构造要求设置钢筋混凝土圈梁。 2. 2 配筋砌块砌体结构方案 设计中配筋砌块砌体结构墙肢长度大于 8 倍墙 肢宽度， 按照建筑抗震设计 规范 GB 50011 2010的规定， 属一般配筋砌块砌体剪力墙， 剪力墙 抗震等级为四级。承重空心砌块的主要规格为 390 290 /190 190 190［3， 4］， 地下部分至地上 2 层 底部加强部位采用 MU15 的混凝土空心砌块， 砂 浆强度等级为 Mb15， 灌芯混凝土强度等级为 Cb30; 3 层至阁楼层采用 MU10 的混凝土空心砌块， 砂浆 强度等级为 Mb10， 灌芯混凝土强度等级为 Cb20。 连梁的混凝土强度等级为 C30。经计算， 配筋砌块 砌体结构的配筋全部按构造要求设置。配筋砌块砌 体结构的节点配筋见图 3。 图 3配筋砌块砌体结构节点配筋图 3两种结构方案的经济性指标对比 3. 1 承重墙体的总长度与总体积 不考虑阁楼层， 砖混结构承重墙体的总长度为 1 913. 0m， 总体积为 1 450. 5m3;配筋砌块砌体结构 承重墙肢的总长度为 1 119. 7m， 总体积为 485. 0m3， 填充墙体积为 388. 8m3。从上述数据可明显看出， 与砖混结构相比， 配筋砌块砌体结构节省承重墙体 长度达 41. 5 ， 节省承重墙体体积达 66. 6 ， 节省 墙体总体积达 39. 8 。故大幅度减少了结构竖向 承重构件的数量和造价， 并减少了墙下基础的面积， 同时加快了施工进度 ［2］。两种结构墙体的长度、 面 积及体积对比见表 1。 3. 2 地基基础承载力需求 按 6 度设防考虑， 通过 PKPM 计算分析的结果 可以得出， 砖混结构和配筋砌块砌体结构的竖向荷 65 第 43 卷 第 10 期王凤来， 等． 哈尔滨地区 6 层住宅建筑结构对比设计与分析 两种结构方案的建筑使用面积对比表 2 层号 建筑面积 /m2 使用面积 /m2 配筋砌块砌体结构 与砖混结构相比的增加值 /m2 配筋砌块砌体结构 与砖混结构相比的增加比例 / 砖混结构 不考虑抹灰 砖混结构 考虑抹灰 配筋砌块 砌体结构 不考虑抹灰考虑抹灰不考虑抹灰考虑抹灰 1 层 613. 78463. 20453. 82504. 7441. 5450. 928. 9711. 22 2 层 568. 86440. 48431. 70478. 8038. 3247. 108. 7010. 91 3 层 535. 12414. 88406. 50449. 5034. 6243. 008. 3410. 58 4 层 535. 12414. 88406. 50449. 5034. 6243. 008. 3410. 58 5 层 510. 40391. 40383. 74425. 9834. 5842. 248. 8311. 01 6 层 484. 22369. 74362. 88403. 8834. 1441. 009. 2311. 30 阁楼484. 22378. 42373. 84410. 8032. 3836. 968. 569. 89 合计3 731. 722 873. 002 818. 983 123. 20250. 20304. 228. 7110. 79 主要结构材料用量及工程造价对比表 3 材料用量 及造价 工程总用量单位面积用量节余量 配筋砌块砌体结构砖混结构配筋砌块砌体结构砖混结构差值节约比例单位面积 砌块 /m3873. 8 1 450. 80. 270. 45577. 039. 80. 18 混凝土 /m3800. 12 644. 40. 250. 2－ 155. 72－ 24. 2－ 0. 05 钢筋 /kg86 292 92 26826. 5728. 415 9766. 51. 84 模板 /m24 592. 26 4 935. 721. 411. 52343. 467. 00. 11 造价 /元1 617 864. 01 930 627. 9498. 11594. 41312 763. 916. 296. 3 用工量 /工日3 4924 2521. 081. 3176017. 90. 23 注1列出的数据仅计算地下部分至地上 6 层， 未将阁楼层计算在内;2数据仅考虑了主体结构施工中包含的材料用量， 砖混结构未计算 墙体拉结筋用量及造价;3工程造价中只考虑了相关材料的人工机， 未包括运输、 脚手架等措施费。 载作用最大组合值分别为 91 419， 73 044kN。配筋 砌块砌体结构相对于砖混结构， 竖向荷载作用降低 了 20. 1 ， 大幅度减少了基础的承载力需求， 降低 了基础部分的结构材料用量和工程造价。 3. 3 建筑使用面积 由于砖混结构的墙体厚度为外墙 370mm、 内墙 240mm， 地下部分全部为 370mm， 而配筋砌块砌体 结构的墙体厚度仅有 190mm。并且配筋砌块砌体 结构的空心砌块是利用标准模具工厂化生产的， 其 表面平整度较高， 故在建筑施工时可以不做抹灰面 层， 而砖混结构需要做至少 20mm 的双面抹灰， 这一 部分墙体抹灰在增加材料用量的同时也减少了使用 面积 ［1］。故从整体上看， 配筋砌块砌体结构相比传 统砖混结构可增加使用面积。 计算分析表明， 按两种结构的建筑面积相同考 虑即外墙线对齐， 配筋砌块砌体结构与砖混结构 对比， 不 考 虑 抹 灰 影 响， 单 户 增 加 使 用 面 积 约 8. 94m2， 整栋建筑合计增加使用面积 250. 20m2;总 增加比例约为 8. 71 ;考虑抹灰影响， 单户增加使 用面积约为 10. 87m2， 整栋建筑合计增加使用面积 约为 304. 22m2， 总增加比例约为 10. 79 。建筑使 用面积对比见表 2。 3. 4 材料用量对比 配筋砌块砌体结构的连梁和墙肢会增加钢筋用 量和混凝土用量;而尽管砖混结构承重材料主要为 砖砌体， 但为保证结构具有良好的整体性能和抗震 能力， 需要设置圈梁和构造柱， 此外门窗洞口上方还 需要设置过梁。故从表 3 的材料用量预算结果中可 以看出， 不考虑阁楼层， 与砖混结构相比， 配筋砌块 砌体结构单位建筑面积钢筋用量可节省 1. 84kg。 同时， 配筋砌块砌体结构的承重空心砌块用量为 485. 0m3， 填充墙体所用的陶粒混凝土空心砌块用 量为 388. 8m3;而砖混结构的承重墙体材料用量为 1 450. 5m3， 故与砖混结构相比， 配筋砌块砌体结构 单位建筑面积可节省墙体材料 0. 18m3/m2。 此外， 配筋砌块砌体结构的空心砌块可以作为 混凝土芯柱的模板， 在模板用量上， 该结构也有优 势， 单位建筑面积的节省量为 0. 11m2。 3. 5 工程造价对比 由表 3 的数据可看出， 仅考虑地下部分至地上 6 层的主体结构， 配筋砌块砌体结构可节省工程造 价 96. 3 元 /m2;此外因该结构的竖向荷载作用和承 重墙体长度较砖混结构有较大幅度降低， 故可显著 减少基础部分材料用量和造价。 4两种结构方案的安全性指标对比 砖混结构常需要通过设置圈梁、 构造柱等诸多 措施， 才能保证结构有较好的整体性能， 满足抗震性 能的要求。而相比之下， 配筋砌块砌体结构的延性 可用墙肢的轴压比来评价表 4。按 6 度设防考 虑， 其墙肢最大轴压比仅为 0. 39， 结构具有良好的 75 建筑结构2013 年 轴压比最大值统计表 4 层号 砌块 强度 砂浆 强度 灌芯 强度 灌芯砌体 强度 /MPa 最大 轴压比 地下MU15Mb15Cb308. 470. 36 1 层 MU15Mb15Cb308. 470. 32 2 层 MU15Mb15Cb308. 470. 28 3 层 MU10Mb10Cb205. 250. 39 4 层 MU10Mb10Cb205. 250. 32 5 层 MU10Mb10Cb205. 250. 25 6 层 MU10Mb10Cb205. 250. 18 阁楼MU10Mb10Cb205. 250. 11 抗剪承载力 /剪力设计值对比表 5 层号 砖混结构 6 度设防 配筋砌块砌体结构 配筋砌块砌体结构 与砖混结构比值 6 度设防7 度设防 6 度设防7 度设防 阁楼7. 1025. 5214. 923. 592. 10 6 层 3. 9116. 239. 364. 152. 39 5 层 3. 0412. 957. 384. 262. 43 4 层 2. 5411. 876. 764. 672. 66 3 层 2. 3411. 006. 234. 72. 66 2 层 2. 2712. 266. 905. 403. 04 1 层 2. 4212. 977. 275. 363. 00 延性和整体性能。 多层建筑结构的变形以剪切变形为主， 故结构 的安全性与结构的抗剪承载力储备密切相关， 表 5 给出了砖混结构和配筋砌块砌体结构的抗剪承载力 与剪力设计值比值的对比结果。由表 5 中的数据可 以看出， 按 6 度设防考虑时， 与砖混结构相比， 配筋 砌块砌体结构底部两层抗剪承载力的安全储备提高 了 5 倍多;而在配筋砌块砌体结构按 7 度设防考虑， 砖混结构仍按 6 度设防考虑时， 配筋砌块砌体结构 底部两层抗剪承载力的安全储备仍要高出砖混结构 3 倍以上， 同时结构最大层间位移角仅有1 /5 609， 这说明与砖混结构相比， 配筋砌块砌体结构在水平 荷载作用下具有更好的整体性能。 5结论及建议 1仅考虑地下部分至地上 6 层的主体结构， 与砖混结构相比， 配筋砌块砌体结构可节约墙体材 料 39. 8 、 钢筋用量 6. 5 、 模板用量 7. 0 ， 但混凝 土用量增加 24. 2 ， 总体上节省工程造价 16. 2 ; 降低用工量 17. 9 。 2在建筑面积相同的前提下， 与砖混结构相 比， 若不考虑抹灰影响， 配筋砌块砌体结构全楼可增 加使用面积 8. 71 ;考虑抹灰影响， 全楼可增加使 用面积 10. 79 。 3与砖混结构相比， 配筋砌块砌体结构的竖 向荷载作用降低了 20. 1 ， 大幅度减少了基础的承 载力需求， 降低了基础造价 20 左右。 4与砖混结构相比， 配筋砌块砌体结构抗剪 承载力的安全储备大幅度提升， 结构的延性及整体 性能提高， 结构的安全性更好。 以上对比结果均表明， 与砖混结构相比， 配筋 砌块砌体结构在多层住宅建筑的应用上具有突出 的优势。在保证建筑功能的前提下， 配筋砌块砌 体结构大幅度降低了资源和能源的消耗量， 减少 了碳排放量， 缩短了施工周期， 降低了对周围环境 造成的影响， 并实现了结构安全性的成倍提高， 也 获得了更多的使用空间。这与我国倡导发展绿色 建筑的方针相一致， 故配筋砌块砌体结构是适合 于多层住宅建筑的“资源节约型、 环境友好型” 绿 色建筑结构形式。 参考文献 ［1］ 于彩峰， 付忠林， 王凤来． 哈尔滨地区 17 层住宅结构方 案对比与造价分析［M］/ /王凤来， 高连玉， 张厚． 新型 砌体结构体系与墙体材料上册工程应用． 北京 中国建筑工业出版社， 2010120- 123． ［2］ 盖遵彬， 王凤来， 卢立志， 等． 6 度设防区多层住宅结 构选型及成本分析［J］． 低温建筑技术， 2009， 312 65- 67． ［3］ 盖遵彬． 多层住宅结构方案对比分析［D］． 哈尔滨哈 尔滨工业大学， 2007． ［4］ 孙维东． 7 度抗震设防烈度区多层住宅结构方案对比 分析［D］． 哈尔滨哈尔滨工业大学， 2008． 上接第 70 页 动响应;2加大梁高， 可以加大楼盖的自振频率， 明 显减小竖向振动加速度;3 加厚楼板， 楼盖的自振 频率减小， 竖向加速度稍有减小;4增大附加荷载， 楼盖的自振频率减小较多， 竖向加速度稍有减小; 5只在大跨度楼盖部分全部加载为最不利荷载分 布形式;6做操荷载是最不利的荷载类型。 参考文献 ［1］ 娄宇， 黄健， 吕佐超． 楼盖体系振动舒适度设计［M］． 北京科学出版社， 2012． ［2］ 折雄雄， 陈隽． 大跨度楼盖振动舒适度研究综述［J］． 结构工程师， 2009， 256144- 149． ［3］ GB 500102010 混凝土结构设计规范［S］． 北京中国 建筑工业出版社， 2011． ［4］ JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］． 北 京中国建筑工业出版社， 2011． ［5］ ALLEN D E，RAINER J H，PERNICA G． Vibration criteria for assembly occupancies ［J］． Canadian Journal of Civil Engineering， 1985， 123617- 623． 85