某小学的抗震设计

摘要：结合蓝堡湾小学工程实例，针对该工程的抗震设计进行了阐述。

关键词：抗震设计；框架结构；工程

1、工程概况及设计难点

蓝堡湾小学地下2层，地上6层，初步采用钢筋混凝土框架结构体系，结构总高度为23m，建筑结构的安全等级为二级，结构设计使用年限为50年。工程抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.15g。建筑场地类别为Ⅲ类，基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度类别为C类。

工程结构标准层平面布置如图1所示。该结构平面中，最大凹入深度大于相应投影方向总尺寸的30%，属于凸凹不规则；结构在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层的最大弹性水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值在Y向分别为1.33和1.35，大于1.2的限值，属于扭转不规则。楼层弹性位移角在Y向的最大值为1/440，大于1/550的限值。

2、结构选型

该工程为乙类建筑，抗震措施应提高一级，再加上位于Ⅲ类场地，抗震构造措施应在抗震措施提高一级的基础上稍有加强。由于该结构平面质量和刚度分布不均匀，Ⅲ类场地的地震作用又比Ⅱ类场地提高了25.4%左右，所以采用多层框架结构很难满足规范对弹性层间位移角1/550的限值。

2.1 多层少墙框架抗震墙结构

在实际工程中往往布置少量抗震墙来满足规范对弹性层间位移角的限值。建筑抗震设计规范GB50011-2010第6.1.3条规定：设置少量抗震墙的框架结构，在规定的水平力作用下底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的50%时，其框架的抗震等级应按框架结构确定，抗震墙的抗震等级可与其框架的抗震等级相同。可见，这种少墙框架剪力墙结构与普通框架剪力墙抗震等级的确定是有区别的。

规范将抗震设防分为三个标准。第一标准为“小震不坏”。即低于抗震设防烈度的多遇地震作用下，结构处于弹性阶段，一般不损坏。这时抗震规范规定了多遇地震作用下弹性层间位移角限值，以满足这一要求。第二和第三标准分别为“中震可修”和“大震不倒”。可以认为多层少墙框架抗震墙结构的抗震墙的作用是减少多遇地震作用下弹性层间位移角，以满足抗震规范中多遇地震作用下弹性层间位移角限值要求，达到“小震不坏”的标准。在大震作用下，由于抗震墙数量少，抗震墙开裂，但框架结构仍能承担地震作用，这时要求结构应该满足抗震规范中纯框架结构的一系列规定，包括在罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算。

抗震规范认为，普通框架抗震墙结构中的抗震墙，是作为该结构体系第一道防线的主要抗侧力构件，需要比一般的抗震墙有所加强。同时，抗震规范还指出，少墙框架结构中抗震墙的地位不同于框架抗震墙结构中的抗震墙。也就是说，对于抗震墙承担地震倾覆力矩的比例达不到结构总倾覆力矩50%的少墙框架抗震墙结构，抗震墙部分是次要抗侧力构件，其抗震要求可以低于框架抗震墙结构中的抗震墙。虽然为次要抗侧力构件，但为了保证墙肢底部塑性铰区的曲率延性，可依据底层墙肢底截面的轴压比来判断是否设底部加强部位。考虑到较大地震时抗震墙开裂和发生破坏，为保证抗震墙破坏后的框架的承载力，抗震墙边框梁或暗梁应满足承受本层竖向荷载的要求，且应满足框架梁相应抗震等级的最小配筋要求。

少墙框架抗震墙结构中，即使是抗震墙很少，由于其刚度大于框架，大部分地震作用首先作用在抗震墙上，当其出现裂缝而刚度退化后，引起框架和抗震墙之间塑性内力重分布，使框架结构成为主要抗侧力构件。此时，虽然因为抗震墙开裂刚度退化，引起整个结构刚度减小，所吸收的地震作用也减小。但框架部分所承担的地震作用反而有可能增大。为安全起见，进行构件配筋计算时，可按两种计算模型分别上机计算，并取计算结果较大值配筋。模型一：考虑少量抗震墙的框架抗震墙模型，总信息中结构形式取框架结构。此时结构弹性层间位移角宜满足规范对框架结构的限值要求。模型二：不考虑少量抗震墙，按纯框架结构上机计算，此时结构弹性层间位移角不一定满足规范对框架结构的限值要求，但要满足规范对罕遇地震作用下薄弱层弹塑性层间位移角限值要求。

这种少墙框架结构部分底层抗震墙往往出现超筋，而且很难避免。考虑到少量抗震墙的作用主要是增加结构抗侧刚度，满足多遇地震作用下弹性层间位移角的限值，所以对于部分底层抗震墙墙体超筋可以加大配筋来满足计算要求。

2.2 多层框架结构

为了有利于施工图的审查和通过，最终决定采用设缝的方法，将不规则的框架结构平面分割为三个规则的部分。由于位于Ⅲ类场地，地震作用比Ⅱ类场地提高了很多，再加上设缝之后，Y向形成了单榀框架结构，弹性层间位移角很难满足规范1/550的要求。我们在不影响建筑功能的前提下，在单榀框架部分增加一排框架柱，既提高了Y向的抗侧刚度，又满足了抗震规范“乙类建筑不应采用单榀框架”的要求。同时，加大框架梁高，增强结构整体抗扭刚度，满足楼层的最大弹性水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值不大于1.2的限值。经过计算，发现两跨框架部分Y向弹性层间位移角仍不满足1/550的限值。考虑到框架结构的侧向变形来源于两个部分，一部分是倾覆力矩（轴力）产生，另一部分是水平和垂直剪力（局部弯曲力）产生。所以在柱子截面确定的情况下，增大梁的刚度来满足结构层间位移角1/550的限值。另外，对于短跨框架梁采用减小梁高加大梁宽的办法解决抗剪超筋的问题。

3、结语

由于结构平面的不规则，一些位于Ⅲ类场地的乙类建筑采用多层框架结构时很难满足规范对弹性层间位移角的要求，可以布置少量抗震墙或者设置变形缝的方法来解决这个问题。

对于少墙框架抗震墙结构，弹性层间位移角限值从框架结构的1/550到框架抗震墙结构的1/800，可按照结构抗震性能化分析的方法细分为几个层次。具体就是根据抗震墙所承担的底部倾覆力矩来确定其弹性层间位移角限值，可以按抗震墙所承担总倾覆力矩的0、10%、20%、30%、40%、≥50%来分别确定弹性层间位移角限值为1/550、1/600、1/650、1/700、1/750、1/800。