高烈度区框架-核心筒结构设计中轻质墙体的应用与分析

  【提要】采用蜂巢轻质墙体,降低结构自重,从而降低结构受到的地震作用,达到降低结构用钢量,降低工程造价,节省墙体投资的目的。

  【关键词】蜂巢轻质墙体 高烈度 地震作用 工程造价

  1.海尔斯蜂巢轻质墙体构造

  海尔斯蜂巢轻质墙体是以纤维蜂窝为芯材,不燃材料植物纤维水泥蒸压板为敷面,用天然玉米淀粉胶复合而成,一种采用专用填充剂为柔性龙骨和相应辅材所链接的全新结构体系。可广泛用于各种建筑物的内隔墙体,因其单位平方米重量仅相当于普通多孔砖墙体的二十五分之一,相当于混凝土空心砌块的十五分之一,相当于轻钢龙骨纸面石膏板的三分之一,所以更适用于高层建筑的内隔墙体。其基本构造见图1。详见《海尔斯蜂巢轻质墙体构造》图集/2009沪J/T-147

  图1 海尔斯蜂巢轻质墙体

  海尔斯蜂巢轻质墙体具有良好的抗震、缓冲性能,轻质、安装快捷方便、不开缝、不变形,占用空间小;防水、保温、节能、隔音,不含有放射性、毒害性物质,废弃物可降解、无污染;是安全可靠的新型绿色环保建材。该墙材体系全国首创,安装技术经科技查新为国际先进。

  海尔斯蜂巢轻质墙体自重为18kg/m2,厚度为100mm,抗压强度为5N/ mm2。有专用限位槽、专用填充剂、专用嵌缝剂和专用尼龙锚栓等组合进行安装,构成全新的海尔斯蜂巢轻质墙体结构体系。也是上海市高新技术成果。我们将其在高烈度区框架-核心筒结构设计中的应用,并获得了很好的成效。

  2.工程概况

  宿豫经济开发区商务中心主楼位于江苏省宿迁市宿豫区,为钢筋混凝土框架-核心筒结构,地下1层,地上23层,结构总高度81.90米,总建筑面积约为20,000m2,抗震设防烈度为8度,设计地震分组为第一组,设计基本地震加速度为0.30g。标准层结构平面图见图2,主楼的效果图见图3。

  本工程结构设计基本参数见下表:

  表1

序号 项目 数据内容
1 建筑结构的安全等级 二级
2 地基基础安全等级 乙级
3 桩基安全等级 甲级
4 设计使用年限 50年
5 抗震设防类别 丙类建筑
6 地基土液化等级及处理 不考虑地基土液化影响
7 地震加速度 8度 0.3g
8 设计地震分组 第一组
9 场地土类别 III类场地土
10 特征周期 Tg=0.45s
11 水平地震影响系数最大值 αmax=0.24
12 抗震等级 一级
13 风荷载 0.40KN/m2
14 地面粗糙度 B级 

  结构设计主要截面见下表:

  表2

构件类型
楼层
典型框架柱
(b×h)
框架梁
(b×h)
抗震墙厚度
(mm)
柱、墙混凝土
强度等级
地下室~第5层 600×1000 400×700
400×600
700
600
C60
第6层~第12层 600×1000 400×700
400×600
600
500
C60~C50
第13层~第17层 600×600 400×700
400×600
500
400
C40~C30
第18层~屋面 400×600 300×500
300×700
400
300
C30
 
 
 
 

图2 宿豫经济开发区商务中心典型楼层结构平面图

  图3 宿豫经济开发区商务中心效果图

  3.采用海尔斯蜂巢轻质墙体与采用混凝土空心砌块、加气混凝土砌块墙体的比较

  由于海尔斯蜂巢轻质墙体密度很小,用于高层建筑将有效减小结构重量,从而降低结构受到的地震作用。对于处在高地震烈度区的高层建筑来说,使用海尔斯蜂巢轻质墙材更能显示出其减轻地震作用的良好效果。下面将以宿豫经济开发区商务中心这一钢筋混凝土框架-核心筒结构为例,对采用海尔斯蜂巢轻质墙体与采用混凝土空心砌块墙体、加气混凝土砌块墙体三种情况下的结构动力特性、地震作用下基底剪力、地震作用下层间位移角、结构配筋用钢量等进行比较。

  3.1结构动力特性比较

  表3列出了建筑中采用海尔斯蜂巢轻质墙体与采用混凝土空心砌块、加气混凝土砌块墙体三种情况下的结构动力特性比较,从表中可以看出,当采用蜂巢轻质墙体时,结构的周期较小,而结构的刚度在两种情况下是不变的,说明此时结构的质量较低。实际上,采用海尔斯蜂巢轻质墙体时结构的总质量为41743吨,采用混凝土空心砌块墙体时结构的总质量为46793吨,采用加气混凝土砌块墙体时结构的总质量为45011吨,三者比较后发现采用海尔斯蜂巢轻质墙体结构质量减少约12%和8%。由于地震作用是惯性力作用,减小结构质量将会减小结构承受的地震作用。

  表3 三种情况下的结构动力特性比较

支撑类型
自振周期
海尔斯蜂巢轻质墙体(X+Y+Rz) 混凝土空心砌块墙体
(X+Y+Rz)
加气混凝土砌块墙体
(X+Y+Rz)
T1(s) 1.3457(1.00+0.00+0.00) 1.4152(1.00+0.00+0.00) 1.3905
(1.00+0.00+0.00)
T2(s) 1.2600(0.00+1.00+0.00) 1.3242(0.00+1.00+0.00) 1.3015
(1.00+0.00+0.00)
T3(s) 0.8569(0.00+0.00+1.00) 0.9087(0.00+0.00+1.00) 0.8903
(1.00+0.00+0.00)
T3/T1 0.6368 0.6421 0.6403

3.2 结构基底剪力比较

  表4显示出,建筑中采用海尔斯蜂巢轻质墙墙体与采用混凝土空心砌块、加气混凝土砌块墙体三相比较,混凝土空心砌块在地震作用下的X向基底剪力减小约12%,Y向基底剪力减小约13%;加气混凝土砌块在地震作用下的X向基底剪力减小约8%,Y向基底剪力减小约8%。就直观的说明了采用该墙体的减震效果。

表4结构基底地震剪力比较

墙体类型
基底剪力
海尔斯蜂巢轻质墙体 混凝土空心砌块墙体 加气混凝土砌块墙体
X向基底剪力 (kN) 26503 29731 28610
Y向基底剪力 (kN) 26848 30280 29130

  3.3 结构层间位移角比较

  从表5中能够看出,建筑中采用海尔斯蜂巢轻质墙体时,结构的最大层间位移角较小,说明结构在地震作用下的变形较小,这也反映出采用海尔斯蜂巢轻质墙体的优越性。

  表5结构最大层间位移角比较

墙体类型
层间位移角
海尔斯蜂巢轻质墙体 混凝土空心砌块墙体 加气混凝土砌块墙体
X向最大层间位移角 1/920 1/851 1/874
Y向最大层间位移角 1/886 1/840 1/864

  3.4 结构配筋用钢量比较

  结构除了承受恒载、活载等竖向荷载外,还要承受地震荷载、风荷载等水平荷载,其中地震荷载的大小对钢筋混凝土构件配筋量有直接的影响。由于采用蜂巢轻质墙材后,建筑的总质量降低,结构承受的地震作用减小,从而结构构件配筋用钢量会降低。通过建筑中采用海尔斯蜂巢轻质墙体与采用混凝土空心砌块、加气混凝土砌块墙体三者的比较,发现采用轻质墙体后,结构配筋用钢量分别减少8%和5%左右。这将有效降低结构的造价。

  3.5 海尔斯蜂巢轻质墙体材料自身特点及适用范围

  根据相关资料,使用海尔斯蜂巢轻质墙体与使用混凝土空心砌块、加气混凝土砌块墙体相比,质量轻,能够增加建筑可利用面积3%~3.7%,节约内墙体投资20%~30%,更方便安装,其施工速度是普通板材复合墙体的7倍,小块砌体砌体的20倍;减少了施工的工作量。在建筑的普通内隔墙中采用该轻质墙体材料是一种很环保、经济的选择。

  4.结论

  通过对海尔斯蜂巢轻质墙体材料的介绍、宿豫经济开发区商务中心框架-核心筒结构设计的描述,以及在商务中心设计中采用海尔斯蜂巢轻质墙体与采用普通混凝土空心砌块、加气混凝土砌块墙体三者的比较,能够得到以下结论:

  采用海尔斯蜂巢轻质墙体后,结构的自振周期有所降低,对采用普通混凝土空心砌块墙体来说结构的总重量减少约12%,结构的X向和Y向基底剪力分别减少约12%和13% 。对采用加气混凝土砌块墙体来说结构的总重量减少约8%,结构的X、Y向基底剪力减小约8%。使结构的最大层间位移角有所降低,结构配筋用钢量分别减少8%和5% ,同时也节约了结构配筋与混凝土用量。增加建筑可利用面积3%~3.7%,内墙体投资节约20%~30%,安装简便,减少了施工的工作量。因此,海尔斯蜂巢轻质墙体是一种经济、环保、使用性能良好的建筑内隔墙体材料。

  参考文献:

  《海尔斯蜂巢轻质墙体构造》图集/2009沪J/T-147。