混合结构房屋静力计算方案

图19-5 多种体系混用的情况

对混合结构房屋的墙体应进行承载力计算和高厚比验算。进行承载力计算时，必须先求出内力。为此，就必须确定房屋的静力计算方案。房屋的静力计算方案不同，墙体的内力计算简图也不同。静力计算方案取决于房屋的空间工作性能。下面以水平荷载作用下的单层单跨混合结构房屋为例来分析其受力特点。图19-6是没有山墙（中部也无横墙）的单层单跨房屋。纵墙承重、屋盖为预制钢筋混凝土屋面板和屋面大梁。纵墙上的窗口均匀规则布置。纵墙可视为底端固定于基础，顶端与屋盖铰接的竖立杆件。纵墙受到风荷载作用时，墙顶产生水平位移。由于无山墙，因而屋盖也将随纵墙平移，各开间屋顶的水平位移相等，屋顶水平位移的大小取决于纵墙本身的刚度。屋盖的刚度只是保证在传递风荷载时使两道纵墙的水平位移相等。作用在墙面上的风荷载直接通过纵墙传到其基础，再传到地基。

由于房屋的结构布置和荷载分布（垂直荷载和水平荷载）沿着纵向都是一样的，因而我们可以通过任意相邻两个窗口的中线取出一个单元，该单元基本上能够代表整个房屋的受力状态，我们称这个单元为“计算单元”。这个单元的受力和变形不受其他单元的影响，可以按平面结构进行分析。如果把计算单元的纵墙比拟为排架立柱，屋盖比拟为横梁，基础视为立柱的固定端支座，屋盖和墙的连接点视为铰接。这样一来，这个单元的受力分析同平面排架完全相同。排架顶端的水平位移量用up 表示。计算简图如图19-6所示。

图19-6 无山墙的单层单跨房屋

图19-7 所示的房屋基本上与图19-6所示的房屋相同，只是在房屋的两端增加了山墙。由于两端山墙的约束作用，使风荷载的传递途径发生了变化。这时，屋盖犹如两端支承于山墙上的水平深梁（梁的跨度为山墙间距）。山墙好像一根下端固定在基础上的竖立悬臂梁（跨度为房屋高度）。而纵墙仍可视为底端固定于基础，顶端与屋盖铰接的竖立杆件，纵墙受到风荷载作用时，一部分风荷载由纵墙直接传给基础，另一部分则由纵墙传至屋盖。这时，屋盖在受到纵墙传来的水平力后，将在水平方向发生弯曲，并把这部分水平力传给山墙。山墙将在自身平面内受力和变形并将这部分荷载传给山墙基础，再传给地基。由此可见，风荷载的传递路线为：

由上述可见，在这类房屋中，风荷载的传力体系已不是平面受力体系，即风荷载不只是在纵墙和屋盖组成的平面排架内传递，而且通过屋盖平面和山墙平面进行传递，组成了空间受力体系。这时，纵墙顶部的水平位移不仅与纵墙本身的刚度有关，而且与屋盖结构的水平刚度和山墙的刚度（在平面刚度）有关。同时，由于山墙存在，纵墙顶端的水平位移沿纵向是变化的，与屋盖水平方向位移相同，两端小，中间大。由图19-7可见，在风荷载作用下，纵墙顶端的最大水平位移us 是由两部分组成的。一是屋盖水平梁承受纵墙传来的水平力的作用所产生的最大弯曲变形u1，其大小取决于屋盖本身的水平刚度（与屋盖类别有关）以及山墙的间距（水平梁的跨度），二是作为屋盖支座的山墙在其自身平面内的顶点水平位移u2，其大小取决于山墙的刚度和高度。一般情况下，山墙作为悬臂梁，在其平面内的抗弯刚度很大，顶点水平位移很小，因此房屋的水平位移主要取决于屋盖水平梁的弯曲变形（水平位移）。当屋盖类型确定以后，屋盖水平梁的跨中水平位移取决于两端山墙间的距离。

图19-7 有山墙的单层单跨房屋

当两端山墙距离很远时，屋盖水平梁跨度大、刚度差，这一水平位移也大，若us 值和按平面排架分析取的up 值十分接近，即us／up≈1时，房屋的空间工作性能较差，这时可略去房屋各部分的空间联系作用，房屋中部单元的计算简图就和单跨平面排架相同。为简化计算，房屋各单元均可按平面排架进行分析。

当两端山墙的距离很短时，屋盖水平梁的跨度较小，刚度增大，水平位移就很小。房屋空间工作性能好，空间刚度大，即抵抗变形的能力增大。在这种情况下，可认为屋盖受风荷载后没有水平位移，亦即us≈0，于是可将屋盖结构视为外纵墙的不动铰支座，房屋结构各单元的计算简图如图19-8a所示。

当房屋两端山墙的距离介于上述两种情况之间时，屋盖的水平位移比不考虑空间工作的平面排架的水平位移要小，但又不能忽略不计。这时，屋盖受风荷载作用后的水平位移us 在零和up 之间，即0＜us＜up。此时可将屋盖视为外纵墙的弹性支座。房屋结构各单元的计算简图如图19-8b所示。

由以上分析可知，在荷载作用下，混合结构房屋墙柱按何种计算简图进行受力分析，主要取决于房屋的空间工作性能。对于单层房屋，如果令η=us／up≤1，则η为考虑空间工作后的侧移（水平位移）折减系数，称为空间性能影响系数，η值越大，表示房屋空间工作的性能越差，房屋顶点的水平位移与平面排架的柱顶的水平位移越接近；η 值愈小，表示房屋空间工作的性能越好，空间刚度愈大。通过对房屋进行实测，得到了空间性能影响系数η 值，列于表19-1。分析表明，对η值产生显著影响的因素是屋盖类型和横墙（或山墙）所分隔的房屋长度。《砌体规范》根据房屋的空间工作性能将房屋的静力计算方案分为三种，即刚性方案、弹性方案和刚弹性方案。《砌体规范》根据各种屋盖或楼盖的刚度大小，将其分为三类（表19-2），设计时根据屋盖或楼盖的类别和横墙间距直接由表19-2确定静力计算方案。

图19-8 屋盖作为外纵墙的支座

表19-1 房屋各层的空间性能影响系数ηi(www.xing528.com)

注：i取1～n，n为房屋的层数。

表19-2 房屋的静力计算方案

注：1.表中s为房屋横墙间距，其长度单位为m。
2.当屋盖、楼盖类别不同或横墙间距不同时，可按19.3.3节的规定确定房屋的静力计算方案。
3.对无山墙或伸缩缝处无横墙的房屋，应按弹性方案考虑。

1）刚性方案

房屋的空间刚度很大，在荷载作用下，墙、柱顶端的相对水平位移很小，可视为零。这时将墙、柱看成上端为不动铰支承于屋盖（楼盖），下端嵌固于基础的竖向构件，按这种方案进行静力计算的房屋称为刚性方案房屋。

2）弹性方案

房屋的空间刚度较差，在荷载作用下，墙、柱顶端相对水平位移较大，在荷载作用下，可按屋架、大梁与墙（柱）为铰接的，不考虑空间工作的平面排架或框架进行计算。按这种方案进行静力计算的房屋称为弹性方案房屋。

3）刚弹性方案

房屋的空间刚度介于上述二者之间，在荷载作用下，墙、柱顶端的相对水平位移比弹性方案房屋为小，但又不能忽略不计。这时可按屋架、大梁与墙（柱）为铰接的考虑空间工作的排架或框架计算。按这种方案进行静力计算的房屋称为刚弹性方案房屋。

作为刚性和刚弹性方案房屋中的横墙，必须具备一定的刚度，才能保证屋盖水平梁的支座变位（水平位移）不至于过大。因此，《砌体规范》规定，刚性和刚弹性方案房屋的横墙应符合下列要求：

（1）横墙中开有洞口时，洞口的水平截面面积不应超过横墙截面面积的50%。

（2）横墙的厚度不宜小于180mm。

（3）单层房屋的横墙长度不宜小于其高度，多层房屋的横墙长度不宜小于H／2（H 为横墙总高度）。

此外，横墙应与纵墙同时砌筑，如不能同时砌筑时，应采取其他措施，以保证房屋的整体刚度。

当横墙不能同时符合上述要求时，应对横墙的刚度进行验算，如其最大水平位移值umax≤H／4000时，仍可视作刚性或刚弹性方案房屋的横墙。符合此刚度要求的一段横墙或其他结构构件（如框架等），也可视作刚性和刚弹性方案房屋的横墙。