底部兩層框架—抗震墻房屋的抗震設(shè)計

王育林

摘要：結(jié)合工程設(shè)計實例，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010的規(guī)定，對底部兩層框架-抗震墻房屋的抗震設(shè)計重點作簡要分析，并提出設(shè)計建議。

1、概論

對于城鎮(zhèn)臨街建筑，往往要求在建筑底層設(shè)置商店、飯店、銀行等，做成底層框架-抗震墻、上部多層磚混房屋，對于這種結(jié)構(gòu)形式，從抗震上講是不利的，但因其在使用上的方便、靈活以及造價相對全框架結(jié)構(gòu)較低等優(yōu)點，所以應(yīng)用較廣。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對此類建筑的要求又有所提高，提出在底部設(shè)置二層框架-抗震墻作為商業(yè)用房，上部仍為多層磚混房屋?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》GB50011-2010（以下簡稱規(guī)范）與89規(guī)范相比，納入底部兩層框架-抗震墻、上部多層磚混房屋的相關(guān)相容，為此類建筑的建造奠定了基礎(chǔ)。

2、震害及其分析

在2008年汶川地震中，大量底部及底部兩層框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的房屋發(fā)生了較為明顯的震害，甚至倒塌或部分倒塌。底部及底部兩層框架-抗震墻房屋的特點是由兩種不同的結(jié)構(gòu)、兩種不同的材料上下組合而成，底部的質(zhì)量輕剛度小，上部的質(zhì)量重剛度大，表現(xiàn)為上剛下柔、頭重腳輕，兩種結(jié)構(gòu)（材料）的抗震性能不同且差別較大，那么這類房屋的整體抗震能力就決定于兩種結(jié)構(gòu)（材料）各自的抗震能力和它們的相互匹配關(guān)系。

底部及底部兩層框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的房屋，最為常見的震害集中在底部框架-抗震墻部分，一般表現(xiàn)為抗震墻沿對角線方向發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)交叉斜向裂縫，框架柱端部產(chǎn)生水平裂縫甚至局部壓潰，形成柱鉸。震害原因是：底部抗震墻數(shù)量過少，與上部磚混相比剛度太小，且底部所承受的地震作用較大，造成層間位移過大而喪失承載力，最終導致框架-抗震墻破壞甚至倒塌。下圖為北川縣某底部兩層框架-抗震墻+上部五層磚混結(jié)構(gòu)商住樓底部兩層倒塌及細部柱鉸。

另外一種情況是，底部設(shè)置的抗震墻數(shù)量太多，框架-抗震墻的剛度大于上部磚混，導致薄弱層上移至磚混部分，而上部的材料特性決定了結(jié)構(gòu)不具備太大的耗能能力，最終導致上部發(fā)生脆性破壞甚至倒塌。下圖為都江堰市某六層底框結(jié)構(gòu)房屋的二層完全坍塌和局部坍塌。

3、一般規(guī)定

3.1結(jié)構(gòu)布置

底部兩層框架-抗震墻的布置，除了考慮底部的均勻?qū)ΨQ外，還需要考慮上部磚混的結(jié)構(gòu)布置，使房屋底部縱橫向的剛度中心盡可能與整個房屋的質(zhì)量中心相重合。底部縱橫向均應(yīng)布置一定數(shù)量的抗震墻，抗震墻應(yīng)盡量均勻?qū)ΨQ布置，并保持一定的距離，最好布置在建筑的外圍或靠近外墻處，縱橫向抗震墻宜連為整體，組合L形、T形等。抗震設(shè)防烈度為6、7度時底部抗震墻間距分別不應(yīng)大于18m、15m。

為便于堅向荷載及地震荷載的直接傳遞，應(yīng)合理布置上下層結(jié)構(gòu)，盡量使上部承重磚墻與下部框架或抗震墻對齊或基本對齊。條件許可時，各道縱橫向承重磚墻下均布置框架或抗震墻，確有困難時，可以有部分承重磚墻落在次梁上，但數(shù)量不能太多，建議對住宅每戶不能多于一道，其它情況不能多于20%。上部磚混外墻下均應(yīng)布置框架或抗震墻。

3.2總高度和層數(shù)的限制

對砌體房屋限制總高度和層數(shù)是主要的抗震措施?；窗驳貐^(qū)一般為6度、7 度設(shè)防，對底部框架-抗震墻房屋的總高度限值為22m，總層數(shù)不超過7層。同時規(guī)定底部框架-抗震墻層高不大于4.5m，上部磚混層高不大于3.6m。

4、工程實例

PKPM是目前應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計軟件，SATWE和TAT模塊均能完成底部框架-抗震墻房屋的空間整體分析計算。下面就工程實例結(jié)合軟件應(yīng)用對底部框架-抗震墻房屋的抗震設(shè)計作介紹。

4.1工程概況

機場路安置小區(qū)13號樓位于淮安市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，底部兩層框架-抗震墻，層高均為3.7m，上部4層磚混住宅+閣樓，住宅層高2.8m，閣樓總高2.9m，建筑總高度20.66m（室外地面至坡屋面1/2高度處），梁板式筏形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深-1.2m，因房屋超長，中部設(shè)置一道抗震縫分隔為兩個單元結(jié)構(gòu)。7度抗震設(shè)防，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.10g。

4.2地震作用計算

本工程為底部兩層框架-抗震墻房屋，屬于上剛下柔結(jié)構(gòu)，且層數(shù)不多，按規(guī)范可采用底部剪力法作簡化計算，但應(yīng)嚴格按規(guī)范要求對地震作用作相應(yīng)調(diào)整，F(xiàn)Ek=αmax*Geg=2646.7kN，計算時水平地震影響系數(shù)取αmax=0.08，并不計頂部附加水平地震作用.

SATWE程序做底部框架-抗震墻部分計算時，把結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層樓蓋處切開，將上部砌體的水平地震作用及豎向重力荷載作用于轉(zhuǎn)換層樓蓋處，不考慮上部磚混房屋的剛度貢獻，將底部框架-抗震墻作為獨立結(jié)構(gòu)分析并于頂部附加傾覆力矩M2=17142KN*m.

4.3地震作用分配

底部抗震墻承擔的水平地震剪力。抗震墻開裂前的側(cè)向剛度遠大于框架的側(cè)向剛度，同方向抗震墻所分擔的層間水平地震剪力占該層地震剪力的90%以上，為簡化計算，規(guī)范要求抗震墻承擔該方向的全部地震剪切角力，并按側(cè)向比例在墻間分配。

底部框架承擔的水平地震剪力。在地震作用下，抗震墻將開裂，剛度相應(yīng)降低，此時框架將承擔更多的地震剪力，因此規(guī)范規(guī)定在計算底部框架承擔的水平地震剪力時，各抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)采用有效剛度，對砼抗震墻取折減系數(shù)0.3。即一榀框架承擔的地震剪力為：

地震傾覆力矩的分配。傾覆力矩產(chǎn)生的效應(yīng)是使結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，故應(yīng)按底部框架和抗震墻的轉(zhuǎn)動剛度的比例進行分配。但是按轉(zhuǎn)動剛度的比例分配傾覆力矩計算比較復雜，為簡化計算，規(guī)范規(guī)定，底部各軸線承擔的地震傾覆力矩，可近似按底部框架和抗震墻的側(cè)向剛度的比例分配確定，地震傾覆力矩分配后使抗震墻產(chǎn)生附加彎矩，框架產(chǎn)生附加軸力。

4.4層剛度比的控制

對本工程而言，層剛度比的控制是設(shè)計的重點，規(guī)范明確規(guī)定，底層與底部第二層側(cè)向剛度應(yīng)接近，第三層與底部第二層側(cè)向剛度的比值不應(yīng)大于2.0，且不應(yīng)小于1.0。

各層側(cè)向剛度均勻的房屋，在水平地震作用下，層間位移也比較均勻，房屋具有較強的整體抗震能力，但如果底部的側(cè)向剛度過大，也會使薄弱層轉(zhuǎn)移到上部磚混部分，同樣對房屋抗震帶來不利影響。

按規(guī)范要求，房屋底部縱橫兩個方向均要布置一定數(shù)量的砼抗震墻，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，即便砼抗震墻的數(shù)量并不多，K3/K2卻已經(jīng)小于1.0，這和抗震墻的長度及程序輸入方法有關(guān)。抗震墻布置時應(yīng)盡量使其高寬比大于2，可以采用開設(shè)洞口、堅縫等方法控制抗震墻剛度。針對PKPM程序，其對開洞抗震墻均按小開口整體墻處理，因此建議各片抗震墻按獨立墻肢輸入，以減小程序計算誤差.

4.5構(gòu)造要求

本工程構(gòu)造設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：過渡層及上部磚混構(gòu)造、轉(zhuǎn)換層樓蓋構(gòu)造、托墻梁構(gòu)造、框架及抗震墻的構(gòu)造、各部位材料要求等，規(guī)范均有明確的要求，這里不做細述。

5、結(jié)束語

底部兩層框架-抗震墻房屋是一種不利于抗震的結(jié)構(gòu)體系，因為它既是上下層不同材料組成的結(jié)構(gòu)，又是上下層剛度差異較大的結(jié)構(gòu)。但由于我國還處于發(fā)展的初期，從經(jīng)濟上考慮可采用此類結(jié)構(gòu)，但必須按規(guī)范采取相應(yīng)的措施加以嚴格限制，以保證結(jié)構(gòu)抗震的安全。

底部兩層框架-抗震墻房屋抗震設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容包括：上下層剛度比的控制、相應(yīng)部位的抗震構(gòu)造措施等，均應(yīng)引起設(shè)計者的重視。

參考文獻：

1.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010 中國建筑工業(yè)出版社

2.《PKPM建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件2008版新功能詳解》中國建筑工業(yè)出版社

3. 徐建《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計常見及疑難問題解析》中國建筑工業(yè)出版社

4.王亞勇《汶川地震建筑震害啟示錄》地震出版社