底部多层框支结构的抗震设计探讨

摘要： 从底部框支剪力墙设计中遇到的一些问题出发， 指出了概念设计的重要性， 并在研究和完善底部框支剪力墙结构的设计理论上作了初步的探讨。

关键词： 底部多层框支结构； 抗震设计； 探讨

1概述

设防基本烈度8 度的丙类建筑和设防基本烈度7 度的乙类建筑， 其结构形式可采用底层大空间剪力墙结构。底层大空间剪力墙结构， 由于其竖向刚度不均匀， 用作抗震结构是很不利的。但由于其结构布置易于满足商住楼底层大空间商场和综合楼底层大空间的建筑功能需求， 仍得到了广泛地应用。

2 结构体系布置应利于抗震设计

2.1 框支剪力墙应采用整体刚度好的地基基础高层结构是否具有耐震能力， 是由承载能力和变形能力共同决定的。承载力的设计易于满足， 而变形能力在很大程度上是对抗侧刚度的控制， 直观上就是对水平变位的控制。高层结构刚度的强弱是否合适， 首先取决于结构自振周期与所在场地特征周期差别的大小。

多层框支结构是高位转换， 整个结构的质心上移， 底部剪力墙的布置数量又受到限制。这样， 框支结构的抗侧刚度相对于一般高层结构明显偏弱， 建筑物的自振周期增长， 侧向变位增大。增大下部的剪力墙数量和提高下部砼强度等级， 是提高整体刚度的最有效的办法。反之， 提高上部结构的刚度， 就加大了转换层上下结构的刚度突变，整体结构的动力效应就会加大， 仍然存在结构刚度相对不足的问题。因此， 对于底部多层框支剪力墙结构， 靠提高刚度来满足侧向变位的要求是很有限的。据某栋底部3 层，上部15 层的框支剪力墙的计算结果分析得知， 当建筑物的最大层间位移减小20% ～30% 时， 其结构的抗侧等效刚度需提高1 倍以上， 可见， 只增大建筑物的刚度不但抗侧移的效果不明显， 而且导致其自重和地震力增强以及建筑物的经济指标提高。故在设计中， 不应单纯地从刚度去解决侧向变位偏大问题， 而可以换个角度， 让结构的自振周期远离场地土的特征周期， 进行地基处理和采用桩基等， 以减少建筑物上部结构与地基土发生共振时造成的结构破坏。因此， 在底部多层框支剪力墙结构设计时，其地基基础承载力和刚度宜采用相对较强的形式。由以上3 层框支结构的反复计算可知， 由建筑物刚度体现出的层间位移， 宜控制在现行5钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程6 中允许变位1/ 2～ 1/ 115 较为合适。

2.2 底部多层框支剪力墙结构布置的竖向质量与刚度宜均匀对称

框支剪力墙结构上部为剪力墙体系， 下部为框架剪力墙体系， 上部的部分剪力墙要通过转换层才能将内力传递给下部框架， 再通过框架柱传给基础。所以， 转换层上下结构的刚度宜尽量均匀， 防止突变。主楼应根据自身需要布置剪力墙。裙房也应根据需要， 并按照分散、均匀的原则，布置一定数量的纵墙和横墙。任何情况下，均不得将主楼所需要的落地墙布置在裙房内， 以免主楼水平地震力引起的倾覆力矩无法直接传至基础。由于框支剪力墙结构增加转换层， 下部剪力墙的数量和砼强度等级都受到限制， 所以， 设计时可以弱化上部， 即适当减少上部剪力墙的数量（ 面积） ， 来达到相对强化下部的目的。这既减轻了建筑物的重量， 又减少了转换大梁的数量， 又比较容易满足上下刚度比。然而， 对于上部纯剪力墙结构， 为保证楼板有足够刚度且避免翘曲变形的发生， 剪力墙的间距不宜太大， 楼板也不宜太薄。上述实例底部3 层框支剪力墙结构， 其上部剪力墙的间距已达11 m， 而计算结果的周期、位移、剪重比等均在要求范围以内， 可见， 此建筑的结构布局还是比较合理的。

底部多层框支剪力墙结构， 除了控制刚度以外， 还要注意剪力墙的布置均匀对称。因为底部多层框支剪力墙的质心上移， 扭转效应对底部的影响较大， 使下面几层都有可能成为薄弱层， 考虑到弯曲、剪切、轴向变形和扭转的影响， 底部多层框支剪力墙的受力构件（ 梁、柱、剪力墙） 的布置显得格外重要。

2.3 楼面开大洞对结构侧移的影响不可忽视

高层建筑由于建筑功能的需要， 二层通高、复式住宅等， 使结构楼面开洞的机会增多， 楼板已从楼板面内刚度无限大的假定转变成了楼板分块刚性的假定， 整个楼板的变形很难协调一致。结构设计时， 应尽可能在大洞周边布置宽扁梁或剪力墙来约束楼板的变形， 一方面易于满足楼板抗震设计的要求， 另一方面又可以控制本身结构的侧向变形。对于这一类结构计算， 要采用总刚模型进行结构的振动分析， 即要考虑楼板的弹性变形对结构的影响。采用弹性楼板计算的变位， 比刚性楼板计算的变位约增加8% ～10% 。

3 结构的抗震构造措施

3.1 强柱弱梁0 强剪弱弯0 强节弱杆0的抗震设计思想5高规6 中对于底层框支剪力墙结构的落地剪力墙和转换层楼盖以上一层的剪力墙、框支柱、框支梁有加强要求， 而对于底部多层框支结构却没有规定， 所有的计算程序对此也没有考虑。底部多层框支结构受力很复杂， 绝不能等同于普通的框剪结构。如果只按照5高规6 进行调整， 不考虑底层和转换层之间楼层的调整， 那么， 形成薄弱层就不可避免了。所以， 这就要求设计者根据概念设计的原则进行这一部分的三强三弱0 的调整。

3.2 构造措施宜更加严格

我们在高层结构的计算中， 都是以第一水准烈度（ 50 a 超越概率为63% ， 比基本烈度约低115 度） 对结构截面承载力进行弹性阶段验算， 同时按97G329 （ 一） 的有关要求， 采取相应的抗震构造措施保证结构的延性， 使之具有与第二水准烈度（ 基本烈度） 相应的变形能力， 实现/ 小震不坏和中震可修0 的设防要求， 这是第一阶段的设计。对于复杂的高层结构， 如框支剪力墙结构， 还必须进行/ 时程分析法0 补充计算，以频度极低的大震（ 50 a 超越概率2% ～3%， 相当于比基本烈度大110 度） 为对象，也就是第三水准烈度对结构薄弱部位进行弹塑性层间变形验算和采取相应的构造措施，以实现/ 大震不倒0 的设防要求称为第二阶段设计。由此可知， 绝大多数高层结构在第二阶段， 并不一定要求进行内力和位移的计算， 而要通过构造措施加以保证。所以， 对于高层结构， 抗震概念设计和构造是非常重要的。设计时， 一级抗震等级每层框支柱的轴压比都不大于014， 最小配筋率＼112% ，转换层以下和转换层以上一层的钢筋砼墙水平和竖向分布钢筋最小配筋率均＼013% 。所有加强的构造措施都是为了保证整个结构及构件具有良好的延性， 利于耗能抗震。如果采用了型钢砼柱（ 其配钢率约为5%～ 7% ） ， 型钢芯柱使柱的受压承载力增大20% ～ 30% ， 其柱可以比同截面的钢筋砼柱轴压比限值提高012。型钢砼柱的承载力和变形能力均远高于钢筋砼柱， 用于框支柱， 将能进一步改善框托墙体系的耐震性能和抗震可靠度。

4 结语

综上所述， 底部多层框支结构的受力是非常复杂的， 遇到的问题亦是多种多样， 需要进一步的深入研究和完善。

参考文献：

[1] 马平.转换梁刚度对结构的内力影响及转换梁的配筋方法对比分析[D]. 西安理工大学 2008

[2] 雷静. 带主次梁转换层框支剪力墙结构计算分析[D]. 长安大学 2006

[3] 邬玉娟. 底部大空间剪力墙结构的地震响应分析[D]. 西南交通大学 2004