底部框剪多层砌体的房屋抗震

摘要：底框结构是我国现阶段经济条件下特有的一种结构形式,这种结构形式从抗震性能方面而言并不值得提倡，但对欠发达地区，此类结构在经济方面还具有一定优势, 它与纯框架结构房屋相比，具有节约造价、缩短工期、方便施工等特点。通过对这类房屋结构易损性分析,结合历次的震害资料及设计实践,可对其结构选型与抗震设计中的建筑体型、结构构造及改善框架柱和上部砖房抗震性能等问题进行了研究。

关键词:抗震设计 底部框-剪结构 设计方法

中图分类号： U452.2+8文献标识码：A 文章编号：

底部框剪多层砌体房屋在我国地震区一些中小城市的临街建筑中已被广泛采用,并有继续扩大使用的趋势。

1 底部框剪多层砌体房屋的受力特点底部框剪多层砌体房屋由钢筋混凝土框架―抗震墙和上部砌体结构两种承重和抗侧力体系构成,底部刚度小于上部,是一种上刚下柔结构。地震作用是一种惯性力,由于底部框剪多层砌体房屋层数较少,通常仅考虑其水平地震作用,因此结构这种“头重脚轻”的质量分布特征、及上刚下柔的刚度分布特点对房屋的抗震是不利的。研究表明,这种结构有两个较为薄弱的可能部位:一个是竖向刚度发生突变的第二层,此部位因变形超过极限容许变形值而发生破坏;另一个是底层,此部位由于承受较大的竖向荷载和地震作用,框架柱一般可能沿斜截面出现剪切开裂,发生脆性破坏,特别是P-Δ效应更可能使破坏加剧。因此,在结构设计上要有针对性在底部两层合理地设置抗震墙,以增强底部的抗侧移刚度是至关重要的。

抗震设计分为概念设计和计算设计。在底部框剪多层砌体房屋的设计中应结合此类房屋的受力特点在概念设计、地震作用分析计算、构造措施等多个方面综合考虑,才能获得良好的房屋抗震效果。

2．概念设计中的关键问题

概念设计通过正确地解决总体方案、材料使用和细部构造,以达到合理抗震设计的目的。实践证明,由于地震及地震效应的不确定性和复杂性,以及计算模型和实际情况的差异,不能仅依赖计算设计,结构抗震性能的决定因素首先取决于良好的概念设计。对于底部框剪多层砌体房屋,进行概念设计和构造设计时,应特别注意以下问题:

2.1 底部框架-抗震墙砌体房屋的建筑结构布置，平、立面布置规则,对称,质量和刚度变化均匀避免楼层错层,楼层的高度应满足《抗规》7.1.2限值。要符合不规则结构的抗震概念设计要求，并尽可能减少不规则性。当建筑平面布置复杂，存在严重的凹凸不规则时，可设逢将结构分为相对规则的几个结构单元，缝宽应按防震缝考虑。为了避免薄弱底层因过度的变形(或应变)集中而发生严重破坏或倒塌,底层不宜采用纯框架结构,应该结合底层的平面布置,沿房屋的纵向和横向,对称、均匀地布置一定数量的抗震墙,并应符合《抗规》7.1.8条规定。

2.2 传力简单明确 简单抗震结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径,应具备必要的承载能力、良好的变形能力和耗能能力,宜综合考虑结构体系的实际刚度和强度分布,避免因局部削弱或突变而形成薄弱部位,避免产生过大的应力集中或塑性变形集中。

2.3 多道抗震设防 设置多道防线,避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力;框架的抗侧移刚度远小于抗震墙的侧移刚度,因此在底部设置的抗震墙是第一道抗震防线,框架则作为第二道抗震防线,这样组成双重抗震防线。底部应采用全框架形式,沿纵、横两个方向对称布置一定数量的抗震墙,抗震墙宜布置在或靠近外墙处,以获得最大抗扭刚度。抗震墙的距离要符合新《规范》的规定,即6度时小于等于21m,7度时小于等于18m,8度时小于等于15m,以满足楼盖对传递水平地震力所需的刚度要求,嵌砌于框架之中的配筋砌块砌体墙具有较强的抗震能力。

2.4 抗震结构构件应力求避免脆性破坏。对砌体结构宜采用钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱、配筋砌体或钢筋混凝土和砌体组合柱;对钢筋混凝土构件,应通过合理的截面选择、配筋和构造措施,避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土受压破坏先于钢筋屈服、钢筋锚固破坏先于构件破坏。

3．计算设计中的关键问题

3.1水平地震作用

3.1.1地震作用计算

对于平、立面布置规则，质量和刚度在平、立面分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法；对于立面布置不规则的宜采用振型分解反应谱法，对于平面布置不规则的宜用考虑水平地震作用扭转影响的振型分解反应谱法。

采用振型分解反应谱法时，应取足够的振型数。

3.1.2地震作用效应调整

为减少底部的薄弱程度，《抗震规范》规定：底层框架--抗震墙砌体房屋的底层纵向与横向地震剪力设计值，底部两层框架―抗震墙砌体房屋的底层和第二层的纵向与横向地震剪力设计值，均应乘以增大系数，其值可根据侧向刚度比值在1.2~1.5范围内选用，第二层与底层侧向刚度比大者应取大值。

调整的具体方法为：严格按照《抗规》第7.2.4条有关规定执行。

3.1.3侧移刚度比

底部框架―抗震墙的侧移刚度小于上部砌体部分的侧移刚度,才能保证这种房屋结构的薄弱层不致向上部转移,从而充分利用底部框架―抗震墙的耗能作用。应按《抗规》第7.1.8条第③、④有关规定执行。

4.底部框架―抗震墙部分地震剪力的分配

水平地震剪力要根据对应的框架―抗震墙结构中各构件的侧向刚度比例，并考虑塑性内力重分布来分配，使其符合多道防线的设计原则。

4.1抗震墙

底部框架―抗震墙侧向刚度中，钢筋混凝土占有相当的比例。从控制底部设置一定数量的抗争墙和底部的二道防线的设计原则考虑，抗震墙作为第一道防线，底部的横向和纵向地震剪力的设计值应该全部由该方向的抗震承担。地震剪力按各地震墙的侧向刚度比例进行分配。

4.2框架

在地震作用下，底部抗震墙开裂，抗震墙开裂后将产生塑性内力重分布。底部框架作为第二道防线，其抗震性能如何，对底部框架―抗震墙砌体房屋的整体抗震能力起着很重要的作用。因此，底部框架承担的地震剪力设计值，可按底部框架和抗震墙的有效侧向刚度比例进行分配。

有效侧向刚度的取值，框架刚度不折减，钢筋混凝土抗震墙可乘以折减系数0.3，砖墙可乘以折减系数0.2。

5.底部地震倾覆力矩的分配

在建筑抗震设计规范中，对多层砌体房屋一般不考虑地震倾覆力矩对墙体受剪力承载力的影响。所以在多层砌体房屋的地震作用计算和抗震验算中，不计算地震倾覆力矩，但要按不同基本烈度的抗震设防控制房屋的高度比。在多层和高层钢筋混凝土房屋地震作用的分析中，则要考虑地震倾覆力矩对构件的影响。而对于底部框架---抗震墙砌体房屋，其底部和上部是由两种不同的承重和抗侧力体系构成，因此对这类房屋，应考虑地震倾覆力矩对底部框架---抗震墙结构构件的影响。

作用于房屋过渡层（含）以上的各楼层水平地震力对底层或底部两层引起倾覆力矩，倾覆力矩引起构件 变形 的性质与水平剪力不同，将使底部抗震墙产生附加弯矩，并使底部框架柱产生附加轴力。在确定底部框架地震作用效应时，应计入地震倾覆力矩对底部抗震墙产生附加弯矩和对底部框架柱产生附加轴力。

6.地震倾覆力矩的分配

在旧的《建筑抗震设计规范》GBJ 11-89中，底层框架砖房地震倾覆力矩的分配，系按照底层抗震墙和框架的转动刚度的比例进行分配。计算时多采用假定底层顶板处弯曲刚度无限大和考虑构件基础转动影响的方法，在实际中得到了应用。由于在抗震设计中，基础截面是根据竖向荷载、地基承载力、基础型式和地震作用影响综合确定的，而且因基础型式的差异，如有无基础系梁等使基础转动计算更加复杂化。因此，考虑基础转动对构件弯曲刚度的贡献在具体操作时有一定的困难。

考虑实际运算的可操作性，现行的《抗震规范》规定，可将地震倾覆力矩在底部框架和抗震墙之间按它们的侧向刚度比例进行分配，这是一种近似的分配方法。

上部砌体部分水平地震剪力的分配

上部砌体部分的楼层水平地震剪力的分配原则同多层砌体房屋，应按下述原则分配：

现浇和装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，按抗侧力构件侧向刚度的比例分配。

采用普通预制板的装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖的建筑，按抗侧力构件侧向刚度的比例和其从属面积上重力荷载代表值比例的平均值分配。

结语

底部框剪多层砌体房屋在结构体系上具有头重脚轻、上刚下柔的质量和刚度分布特点。文中的分析表明,在底部框剪多层砌体房屋抗震设计中,应保证结构规则均匀、传力途径简单明确、设置多道可靠的抗震防线。抗震计算分析要选择合理的分析计算方法,同时注意侧移刚度比对结构抗震的影响。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2008).京.中国建筑工业出版社.2010.12-01实施