浅谈底部框架—抗震墙砌体房屋抗震设计
2022-06-09
中图分类号：T2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0133-01
随着我国住宅建筑业迅猛发展，底部框架—抗震墙砌体房屋由于具有比框架经济和施工方便的优越性，目前在我国房屋建筑中广泛采用 ，特别是当使用功能上要求底层做成大空间以满足公共活动所需要时，框架—抗震墙砌体房屋则更体现其优越性。这类房屋承重结构体系通常在底层采用现浇的框架-剪力墙结构，第二层以上是砖墙承重的混合结构，形成“下柔上刚”，对抗震十分不利。地震时，这类房屋的变形主要集中在底层，若底层杆件变形超过极限变形允许值而破坏，就会导致整幢房屋的倒塌。这种震害现象在国内外多次地震中已屡见不鲜，2008年5月12日，四川汶川地震中，也发现了类似的破坏现象，并引起国内外结构专家和技术人员的密切关注。现结合多年实践经验， 从以下几方面着手，以期做出更合理的结构抗震设计。
1、结构方案和布置
底部框架—抗震墙砌体房屋由于上刚下柔，地震作用下底层容易发生变形集中出现过大侧移而破坏，因此设计中平面布置的对称性要求应严格，尽量避免扭转，特别对剪力墙的布置与数量，规范做了严格规定（GB50011-2010第7.1.5条）。这是因为在烈度较高地区上部砖房对底部产生较大倾覆力矩，使框架柱产生较大的附加轴力，柱截面往往过大，配筋较多，其侧移值也不容易满足要求，只要适当增设剪力墙，并布置适宜，柱截面及配筋会大大降低，避免了底层框架出现强梁弱柱，其侧移值也可降低，在地震作用下非结构构件的破坏程度会减轻许多，但在设计中由于建筑功能的限制，结构难以满足上述要求，此时，对不对称结构应进行扭转偶联计算，以避免地震作用下的扭转破坏，剪力墙应尽量均匀对称布置在建筑物的四角，以提高底层抗侧移变形的能力。另外，在历次地震中，底框架砖房结构发生严重破坏的一个重要原因是底部层间刚度与上部层间刚度相差悬殊，因此控制上下层的侧移刚度比是很重要的。
2、减少底层与第二层侧移刚度差的措施
规范上采用在底层设置足够数量的钢筋混凝土剪力墙的方法来减少上下部刚度差。当底层钢筋混凝土剪力墙数量足够时，既可提高底层水平侧移刚度，又能减少底层与第二层侧移刚度差，是增强这类房屋抗震性能的有利措施。
工程剪力墙仅布置在四角，虽然保证了底层大空间。但是，底层纵横剪力墙较少，造成底层与第二层侧移刚度较大，容易形成薄弱层，“上刚下柔”。在震害影响下，容易造成破坏。但如果将楼梯间也改为剪力墙，那么既改善了底层与第二层侧移刚度，同时也改善了楼梯间空洞对底层楼盖水平抗弯刚度的削弱，保证了在水平地震力作用下，框架与剪力墙水平力分配，能符合原设计计算时的设想。而且，底层平面利用也没有牺牲，是很理想的处理方法。
按《建筑抗震设计规范》规定，8度设防时，第二层与底层侧移刚度比值不应大于2。且均不应小于1。根据近几年来设计经验，宜取保1.2-1.8之间，最佳取值为1.5。
3、建筑尺度的控制
设计中应注意以下问题：①房屋高度和层数，应严格执行规范对层数的限制规定。规范采用的是高度和层数双控制的方法，对层数的要求是严格的，与砖混结构的要求相同，不允许超过。这是因为楼盖重量占到房屋总重量约50%，相当于房屋增高了半层，是不允许的，对高度的要求，考虑到底部对上部具有一定的减震作用，因而在限值上适当放宽。层数的限制应严格遵守。②为满足建筑要求，将剪力墙集中布置偏于一边，甚至一角隅，刚度中心与质量中心严重偏离，在地震作用下将出现扭转。“底部框架—抗震墙砌体房屋”建筑平面形状大都为矩形，但建筑在交叉路口时建筑平面有可能为L形或Π形。此时，必须用抗震缝将其分成独立的矩形平面单元，以避免地震时拐角处应力集中或者房屋因扭转而发生严重破坏。矩形单元的建筑长度应该小于现行《混凝土结构设计规范》和《砌体结构设计规范》中规定的伸缩缝最大间距。目前，我国现有砌体结构房屋顶层墙体开裂很普遍，对“底部框架—抗震墙砌体房屋”，因为底层钢筋混凝土与上层砖砌体材料线膨胀系数的差异，如果房屋较长，温度效应的影响，不但会加剧顶层墙体的开裂，甚至会危及到中间层墙体和门窗、洞口，在未地震前就降低了抗震砖墙的强度、刚度。所以对这类房屋的建筑总长度更应有严格的控制。此外，房屋的长宽比也是影响房屋整体抗震性能的重要因素，过大的长宽比容易使房屋纵向和横向自振周期差别较大，影响楼盖水平刚度，地震时容易造成房屋扭转。这里建议，建筑物总长应≤50m，长宽比宜≤4。○3注意裙房与主体的连接处理由于底层大空间的需要，底层框架常带有裙房，裙房与主体之间不应采用主体设牛腿，裙房 屋面梁搁在牛腿上的做法，在地震作用下高低不同的两部分振动情况是不同的，在连接处易 拉断或压碎而产生严重破坏。因此要设缝就要分得彻底，凡不设缝就应牢固刚接，而绝不能 似分非分，似连非连。否则，在地震中易因连接处应力分布和传递复杂而使结构遭到破坏。
4、圈梁和构造柱的设置
目前，在我国多层砌体结构中，设置圈梁和构造柱已作为重要的抗震措施，并被广泛地应用。国内外多次地震已证实，凡设置了圈梁和构造柱的砖砌体房屋，震害普遍较轻。圈梁能增强房屋的整体性，提高房屋的抗震性能，并能约束墙面裂缝的开展及抵抗由于地震作用或其他原因引起的地基不均匀沉降对房屋的破坏作用。设置钢筋混凝土构造柱能对砌体起约束作用，提高其延性和抗剪能力。我国《建筑抗震设计规范》中规定，“底部框架—抗震墙砌体房屋”上层砌体结构部分圈梁、构造柱设置按《砌体结构设计规范》有关规定执行。圈梁和构造柱形成了封闭的“弱框架”，在房屋结构遭受罕遇地震时，构件进入非弹性变形阶段，能发生较大的水平位移，但整幢建筑可达到“裂而不倒”。当房屋结构遭受设计烈度的地震作用时，部分构件发生非弹性变形，地震后房屋局部部位略加修复即可使用。圈梁与构造柱形成的“弱框架”作用可以看作是“底层框架砖房”结构抗震体系的二道防线。
5、结论与建议
底部框架—抗震墙砌体房屋是一种量大面广存在的结构类型，进一步加深对底部框架—抗震墙砌体房屋的研究，在充分发挥传统砖混结构造价低施工方便优势的基础上，提高结构抗震能力，改善结构受力性能，将能够产生良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 底部框架-抗震墙砌体房屋抗震技术规程，JGJ248-2012
随着我国住宅建筑业迅猛发展，底部框架—抗震墙砌体房屋由于具有比框架经济和施工方便的优越性，目前在我国房屋建筑中广泛采用 ，特别是当使用功能上要求底层做成大空间以满足公共活动所需要时，框架—抗震墙砌体房屋则更体现其优越性。这类房屋承重结构体系通常在底层采用现浇的框架-剪力墙结构，第二层以上是砖墙承重的混合结构，形成“下柔上刚”，对抗震十分不利。地震时，这类房屋的变形主要集中在底层，若底层杆件变形超过极限变形允许值而破坏，就会导致整幢房屋的倒塌。这种震害现象在国内外多次地震中已屡见不鲜，2008年5月12日，四川汶川地震中，也发现了类似的破坏现象，并引起国内外结构专家和技术人员的密切关注。现结合多年实践经验， 从以下几方面着手，以期做出更合理的结构抗震设计。
1、结构方案和布置
底部框架—抗震墙砌体房屋由于上刚下柔，地震作用下底层容易发生变形集中出现过大侧移而破坏，因此设计中平面布置的对称性要求应严格，尽量避免扭转，特别对剪力墙的布置与数量，规范做了严格规定（GB50011-2010第7.1.5条）。这是因为在烈度较高地区上部砖房对底部产生较大倾覆力矩，使框架柱产生较大的附加轴力，柱截面往往过大，配筋较多，其侧移值也不容易满足要求，只要适当增设剪力墙，并布置适宜，柱截面及配筋会大大降低，避免了底层框架出现强梁弱柱，其侧移值也可降低，在地震作用下非结构构件的破坏程度会减轻许多，但在设计中由于建筑功能的限制，结构难以满足上述要求，此时，对不对称结构应进行扭转偶联计算，以避免地震作用下的扭转破坏，剪力墙应尽量均匀对称布置在建筑物的四角，以提高底层抗侧移变形的能力。另外，在历次地震中，底框架砖房结构发生严重破坏的一个重要原因是底部层间刚度与上部层间刚度相差悬殊，因此控制上下层的侧移刚度比是很重要的。
2、减少底层与第二层侧移刚度差的措施
规范上采用在底层设置足够数量的钢筋混凝土剪力墙的方法来减少上下部刚度差。当底层钢筋混凝土剪力墙数量足够时，既可提高底层水平侧移刚度，又能减少底层与第二层侧移刚度差，是增强这类房屋抗震性能的有利措施。
工程剪力墙仅布置在四角，虽然保证了底层大空间。但是，底层纵横剪力墙较少，造成底层与第二层侧移刚度较大，容易形成薄弱层，“上刚下柔”。在震害影响下，容易造成破坏。但如果将楼梯间也改为剪力墙，那么既改善了底层与第二层侧移刚度，同时也改善了楼梯间空洞对底层楼盖水平抗弯刚度的削弱，保证了在水平地震力作用下，框架与剪力墙水平力分配，能符合原设计计算时的设想。而且，底层平面利用也没有牺牲，是很理想的处理方法。
按《建筑抗震设计规范》规定，8度设防时，第二层与底层侧移刚度比值不应大于2。且均不应小于1。根据近几年来设计经验，宜取保1.2-1.8之间，最佳取值为1.5。
3、建筑尺度的控制
设计中应注意以下问题：①房屋高度和层数，应严格执行规范对层数的限制规定。规范采用的是高度和层数双控制的方法，对层数的要求是严格的，与砖混结构的要求相同，不允许超过。这是因为楼盖重量占到房屋总重量约50%，相当于房屋增高了半层，是不允许的，对高度的要求，考虑到底部对上部具有一定的减震作用，因而在限值上适当放宽。层数的限制应严格遵守。②为满足建筑要求，将剪力墙集中布置偏于一边，甚至一角隅，刚度中心与质量中心严重偏离，在地震作用下将出现扭转。“底部框架—抗震墙砌体房屋”建筑平面形状大都为矩形，但建筑在交叉路口时建筑平面有可能为L形或Π形。此时，必须用抗震缝将其分成独立的矩形平面单元，以避免地震时拐角处应力集中或者房屋因扭转而发生严重破坏。矩形单元的建筑长度应该小于现行《混凝土结构设计规范》和《砌体结构设计规范》中规定的伸缩缝最大间距。目前，我国现有砌体结构房屋顶层墙体开裂很普遍，对“底部框架—抗震墙砌体房屋”，因为底层钢筋混凝土与上层砖砌体材料线膨胀系数的差异，如果房屋较长，温度效应的影响，不但会加剧顶层墙体的开裂，甚至会危及到中间层墙体和门窗、洞口，在未地震前就降低了抗震砖墙的强度、刚度。所以对这类房屋的建筑总长度更应有严格的控制。此外，房屋的长宽比也是影响房屋整体抗震性能的重要因素，过大的长宽比容易使房屋纵向和横向自振周期差别较大，影响楼盖水平刚度，地震时容易造成房屋扭转。这里建议，建筑物总长应≤50m，长宽比宜≤4。○3注意裙房与主体的连接处理由于底层大空间的需要，底层框架常带有裙房，裙房与主体之间不应采用主体设牛腿，裙房 屋面梁搁在牛腿上的做法，在地震作用下高低不同的两部分振动情况是不同的，在连接处易 拉断或压碎而产生严重破坏。因此要设缝就要分得彻底，凡不设缝就应牢固刚接，而绝不能 似分非分，似连非连。否则，在地震中易因连接处应力分布和传递复杂而使结构遭到破坏。
4、圈梁和构造柱的设置
目前，在我国多层砌体结构中，设置圈梁和构造柱已作为重要的抗震措施，并被广泛地应用。国内外多次地震已证实，凡设置了圈梁和构造柱的砖砌体房屋，震害普遍较轻。圈梁能增强房屋的整体性，提高房屋的抗震性能，并能约束墙面裂缝的开展及抵抗由于地震作用或其他原因引起的地基不均匀沉降对房屋的破坏作用。设置钢筋混凝土构造柱能对砌体起约束作用，提高其延性和抗剪能力。我国《建筑抗震设计规范》中规定，“底部框架—抗震墙砌体房屋”上层砌体结构部分圈梁、构造柱设置按《砌体结构设计规范》有关规定执行。圈梁和构造柱形成了封闭的“弱框架”，在房屋结构遭受罕遇地震时，构件进入非弹性变形阶段，能发生较大的水平位移，但整幢建筑可达到“裂而不倒”。当房屋结构遭受设计烈度的地震作用时，部分构件发生非弹性变形，地震后房屋局部部位略加修复即可使用。圈梁与构造柱形成的“弱框架”作用可以看作是“底层框架砖房”结构抗震体系的二道防线。
5、结论与建议
底部框架—抗震墙砌体房屋是一种量大面广存在的结构类型，进一步加深对底部框架—抗震墙砌体房屋的研究，在充分发挥传统砖混结构造价低施工方便优势的基础上，提高结构抗震能力，改善结构受力性能，将能够产生良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
[1] 底部框架-抗震墙砌体房屋抗震技术规程，JGJ248-2012