底部框架－抗震墙房屋结构设计的基本要求和防治措施

1 底部框架－抗震墙房屋结构的基本要求和防治措施 摘要：底部框架－抗震墙结构属下柔上刚结构，对抗震极为不利，因此通过介绍底部框架－抗震墙 结构的设计基本要求，提出一些防治措施。 关键词：底部框架-抗震墙 砌体 防治措施 在我国城市中，临街的住宅、办公室等建筑在底层或底部两层设置商店、餐厅或银行等，房屋 上部几层为纵、横墙比较多的砖墙承重结构，房屋的底层或底部两层因使用功能需要大空间而采用 框架－抗震墙结构。此种结构由于上下的材料和结构均不同，结构的自振特性差异较大，其抗震性 能较差，因此，总结这类房屋的震害规律、分析研究其抗震性能和提高这类房屋整体抗震能力的设 计方法与措施，对于搞好这类房屋的抗震设计是非常重要的。 一，底层框架－抗震墙砖房的震害特点 未经抗震设防的底层框架－抗震墙砖房，其底层的纵横墙数量较少且平面布置不对称，而上部 砖房则纵横墙的间距较密，上部砖房的侧移刚度较底层大得多，在强烈地震作用下，由于底层的抗 侧力刚度和极限承载能力相对于第二层薄弱，结构将在底层率先屈服、进入弹塑性状态，并将产生 变形集中的现象。底层的率先破坏将危及整个房屋的安全。 我国近十几年来的强震震害明，这类房屋的地震震害较为普遍，未经抗震设防的这类房屋的 特点是： 1．震害多数发生在底层，表现为“上轻下重”； 2．底层的震害规律是：底层的墙体比框架柱重，框架柱又比梁重； 3．房屋上部几层的破坏状况与多层砖房相类似，但破坏的程度比房屋的底层轻得多。 二，底部框架－抗震墙砖房抗震设计的基本要求 底层框架和底部两层框架－抗震墙砖房的底部框架－抗震墙和上部砖房部分均具有一定的抗 震能力，但这两部分不同承重和抗侧力体系之间的抗震性能是有差异的，而且其过渡楼层的受力也 比较复杂。为了使这类房屋的抗震设计满足“小震”不坏，“中震”可修和“大震”不倒的抗震设 防目标，应符合下列基本要求。 1，房屋的平、立面布置应、对称 历次震害调查说明，体型复杂或结构构件（墙体、柱网等）布置不合理，将加重房屋的震害。 对于底部框架－抗震墙砖房，其抗震性能相对于多层钢筋砼房屋要差一些。因此，这类房屋平、立 面布置的规则要求应更严格一些，即房屋体型宜简单、对称，结构抗侧力构件的布置也应尽量对称， 这样可以减少水平地震作用下的扭转。 2，房屋的高度要限制、高宽比要适当 在唐山大地震中，未经抗震设防的底层框架－抗震墙砖房的破坏较为严重，其主要原因是底层 没有设置成框架抗震体系。在震害较为严重的底层框架砖房中，底层为半框架既沿街一跨为框架另 一跨为砖墙承重体系，底层为内框架体系以及底层大部分为框架体系而山墙与楼梯间墙处不设框架 梁柱等。 基于总结震害经验等，《建筑抗震设计规范》GBJ11 一 89 对这类房屋的总层数给予了较严格的 限制，即 6、7 度区不宜超过六层，8 度区不宜超过五层，9 度区不宜超过三层，其总层数相对于该 地区多层砖房的总层数均有所减少，在 7、8、9度区减少一层。在 6 度区减少二层。 近些年来，通过对底部框架－抗震墙砖房的模型试验和一系列分析研究，深入探讨了这类房屋 的抗震性能，提出了改善底层低矮钢筋砼墙抗震性能，增强过渡楼层和房屋整体抗震能力的抗震设 计方法和构造措施。对房屋较为规则且沿竖向较为均匀和满足增强过渡楼层及房屋整体抗震能力要 求的；其房屋总层数和总高度可适当放宽，但 6、7 度区不宜超过七层，总高度不超过 22.0 米，8 度区不宜超过六层，总高度不超过 19.0米，9 度区不得采用底部框架－抗震墙砖房结构。 2 上部砖房部分的层高，不宜超过 3.6m。上部砖房部分横墙的间距大于 4.2m的房间面积在一层 内大于该层总面积的 40％时为横墙较少，对于上部砖房部分横墙较少者房屋总高度应降低 3.0m， 总层数应减少一层。底层框架－抗震墙砖房总高度与总宽度的最大比值，6、7 度区不宜超过 2.5， 8 度区不宜超过 2.0，9 度区不宜超过 1.5。 3，底部框架－抗震墙砖房的侧移刚度比控制 (1)底层框架－抗震墙砖房 在地震作用下底层框架－抗震墙砖房的弹性层间位移反应均匀和减少在强烈地震作用下的弹 塑性变形集中，能够提高房屋的整体抗震能力。通过对底层框架－抗震墙砖房的弹性和弹塑性位移 以及层间极限剪力系数分析，底层框架－抗震墙砖房第二层与底层侧移刚度比的合理取值范围为 1.2～2.0。根据不同设防烈度的地震作用强弱和既安全又经济的抗震设防原则，底层框架－抗震墙 砖房第二层与底层的侧移刚度比值在 6、7 度时不应大于 2.5，8度时不应大于 2.0，且均不应小于 1.0。 (2)底部两层框架－抗震墙砖房 底部两层框架－抗震墙砖房的侧移刚度沿高度变化宜均匀，底层与底部第二层侧移刚度应接 近，且第一层的侧移刚度不应小于第二层侧移刚度的 70％。底部框架－抗震砖房第三层与第二层 侧移刚度比的合理取值为 1.2～1.8。第三层与第二层侧移刚度比在 6、7 度时不应大于 2.0，8 度 时不应大于 1.5，且均不应小于 1.0。 4，抗震墙的最大间距限值 底部框架－抗震墙砖房的抗震墙间距分为底层或底部两层和上部砖房两部分，上部几层砖房的 横墙间距要求应和多层砖房的要求一样；底部框架－抗震墙部分，由于上面几层的地震作用要通过 底层的楼盖传至底层或底部两层抗震墙，楼盖产生的水平变形将比一般框架抗震墙房屋分层传递地 震作用的楼盖水平变形要大。因此，在相同变形限制条件下，底部框架－抗震墙砖房底层或底部两 层抗震墙的间距要比框架－抗震墙的间距小一些。底部框架－抗震墙砖房的底层或底部两层框架－ 抗震墙具有一定的承载能力和较好的变形、耗能能力，而上部砖房，变形和耗能能力相对比较差。 为了避免底层或底部两层过多强于上部砖房的抗震能力，除了计算底层或底部两层框架－抗震墙砖 房的层间极限剪力系数、判断薄弱层外，还在一般规定上强调两点，一是第二层与底层、第三层与 第二层的侧移刚度比不应小于 1.0， 二是底层或底部两层抗震横墙的最大间距较《建筑抗震设计 规范》GBJ11-89 有所放宽，6度区不大于 21 米，7 度区不大于 18米，8 度区不大于 15 米。 5，底层或底部两层钢筋砼－抗震墙的高宽比 在实际工程中，底层框架－抗震墙砖房的底层钢筋砼墙的高宽比往往小于 1.0, 通常把高宽比 小于 l.0 的钢筋砼墙称为低矮墙。高宽比小于 1.0的低矮钢筋砼墙是以受剪为主，由剪力引起的斜 裂缝控制其受力性能，其破坏状态为剪切破坏。结合底层框架－抗震墙砖房中的底层钢筋砼墙为带 边框的钢筋砼低矮墙的 特点。通过试验和分析研究，采用带边框开竖缝钢筋砼墙，竖缝两侧分割 的由暗柱和边框梁柱的钢筋砼墙的高宽比宜为 1.5 左右。 底部框架－抗震墙砖房的钢筋砼的高宽比小于 1.5，对于这类钢筋砼，可采用开门窗洞口等方 式，使其对层间抗侧力刚度的贡献不宜过大。 6，底部框架－抗震墙砖房的结构体系 根据《建筑抗震设计规范》GB50011 一 2001 对抗震结构体系的要求，结合底部框架－抗震墙 砖房的特点，提出以下要求。 (1)底层框架－抗震墙砖房的底层或底部两层应设置为框架一抗震墙体系 底部框架－抗震墙砖房的底层或底部两层受力比较复杂，而底部的严重破坏将危及整个房屋的 安全，加上地震倾覆力矩对框架柱产生的附加轴力使得框架柱的变形能力有所降低等因素，对底部 的抗震结构体系的要求应更高一些。 1).底部框架－抗震墙砖房的底层或底部应设置为纵、横向的双向框架体系，避免一个方向为 3 框架、另一个方向为连续梁的体系。这主要是由于地震作用在水平上是两个方向的，一个方向为连 续梁体系则不能发挥框架体系的作用，则该方向的抗震能力要降低比较多。同时，也不应设置为半 框架体系或山墙和楼梯间轴线为构造柱圈梁约束砖抗震墙的状况。这是由于底部的地震剪力按各抗 侧力构件的刚度分配，半框架体系或山墙为构造柱、圈梁约束的砖抗震墙体系中，砖墙较框架的抗 侧力刚度大得多，在地震作用下，砖墙先开裂和破坏，加上砖墙的变形能力较框架要差得多，会形 成砖墙构件先退出工作，导致加重半框架或部分框架的破坏。 2).底层框架-抗震墙砖房的底层应设置为框架-抗震墙体系。在 6、7 度区底层为小型商店时， 其抗震墙可为框架填充墙；当底层的砖填充墙较少时应设置一定数量的钢筋砼抗震墙，在 8 度区时， 均应设置一定数量的钢筋砼抗震墙，使底层形成具有二道防线的框架抗震墙体系，有利于提高底层 的抗震能力。 3).底部两层框架-抗震墙砖房的底部两层应设置为框架-抗震墙体系。底部两层一般为中型商 场，不可能在底部两层的纵、横向设置较多的墙体。为增强钢筋砼墙的变形和耗能能力，应把钢筋 砼墙设置为带边框的钢筋砼墙。 4)．底层框架-抗震墙砖房的底层钢筋砼墙宜设置为带边框开竖缝的钢筋砼墙 (2).过渡楼层的抗震能力应适当加强 整体模型试验研究结果表明，底层框架-抗震墙砖房的过渡楼层受力比较复杂，虽然底层的抗 震墙先开裂，但是一旦过渡楼层的砖墙开裂后，其破坏状态要比底层重得多。因此，应增强过渡楼 层的抗剪和抗弯承载能力。在设计时可以考虑加强底层框架与上部砖砌体结构接合处楼板的整体刚 度，可将此处楼板做成同厚度的一块大现浇板，板钢筋通长布置；还应考虑底框竖向结构与上部砖 混竖向结构，在接合处竖向钢筋尽可能上通下行，在构造上加强过渡楼层的抗剪、抗弯能力。 7，底部框架－抗震墙砖房的底部与上部砖房部分的抗震能力宜相匹配。 结构抗震能力沿竖向分布的均匀性，有助于提高房屋的整体抗震能力。底部框架－抗震墙砖房 是由两种承载能力和抗侧体系构成的，底部具有一定的承载能力和较好的变形能力，上部砖房部分 具有一定的抗震能力，但变形和耗能能力相对比较差。 三，防治措施 对于底部框架－抗震墙的砖房，底部框架抗震墙和上部砖房部分均具有一定的抗震能力，但这 两部分不同承重和抗侧力体系之间的抗震性能是有差异的，而且其过渡楼层的受力也比较复杂。为 了使这类房屋的抗震设计满足“小震不坏”，“中震可修”和“大震不倒”的抗震设防目标，其防治 措施可从以下几个方面进行考虑： 1) 底部框架－抗震墙的砖房的底层，不应采用纯框架结构。结构设计人员要及早介入建筑方 案与初步设计，并和建筑工种与建设单位反复协商，在不影响或少影响功能的前提下，使纵横外墙、 室内分隔墙等尽量对称，并均匀地在纵横两个方向设置一定数量的抗震墙，使上层与底层的纵横向 侧移刚度比，能够满足规范要求。根据《砌体结构设计规范》(GB50003- 2001)条文说明，底部设 置一定数量抗震墙的框支墙梁房屋模型振动台试验表明，其抗震性能不仅不比同样层数的多层房屋 低，甚至还要好些。所以，在底框结构中合理设置一些抗震墙是非常重要的。 2)底部剪力法仅适用于刚度比较均匀的多层结构，对于具有薄弱底层的底部框架砖房，应考虑 塑性变形集中的影响。另外，经分析知道提高薄弱层的屈服强度可以减少薄弱层塑性变形的集中。 因此，底部剪力法对底层地震剪力要乘以一个 1.2～l.5 的增大系数。 3) 底部框架－抗震墙的砖房的剪力分配不能按照框架抗震墙的方法进行，因为底层框架砖房 只有底层是框架抗震墙，且底层还有塑性变形，所以要采取双保险的办法。对抗震墙要使其承担全 部剪力，对框架要按刚度比分配，不过要注意，在刚度计算时框架是按弹性计算的，而抗震墙开裂 后刚度会退化。据有关试验资料得知，其刚度将下降到弹性刚度的 20～30％。 4)底部框架柱应考虑地震的倾覆力矩引起的附加轴力。 4 5)在底部框架砖房的上层，构造上仍应设置构造柱，并应每层设置圈梁，底层的顶板应为现浇 或装配整体式楼盖。底层中的柱，特别是结构刚柔相接的地方，要避免出现塑性铰。 参考文献： 1《混凝土结构设计规范》GB50010-2002． 2《建筑抗震设计规范》GB50011-2001． 3《砌体结构设计规范》GB50003-2001． 4 高小旺等.底层框架－抗震墙砖房的抗震性能.建筑结构，1997，(2) 5 高小旺等.底部两层框架－抗震墙砖房的抗震性能.建筑结构，1999，(11) 6 刘大海等.房屋抗震设计.陕西科学技术出版社，1985