底层商服住宅楼的抗震设计研究

姜洪雁　张　皓　孟宪伟

摘要:因为商住楼需要在底层形成大空间,而框架结构体系因其柱网布置灵活,易于满足功能需要,因此在住宅设计中越来越多被采用;但框架结构侧向刚度小,抗震能力弱,且异形框架、短柱等存在的抗震问题,因而提出了提高抗震能力的措施。

关键词:商住楼 框架结构 侧向刚度 抗震能力

0 引言

框架结构体系柱网布置灵活,施工方便,因此,在当前住宅设计中很多采用这种结构体系。为了满足功能上的需要,但框架结构侧向刚度小,抗震能力弱,在设计过程中如设计者对抗震要求考虑不周,将使整幢住宅楼的抗震能力大大降低,在地震作用时可能产生严重的破坏甚至倒塌,给人民的生命财产安全带来不可估量的损失。因此加强框架结构住宅楼的整体抗震能力,是设计者必须注意的问题。下面就框架结构住宅楼的几个抗震问题作一下分析并提出解决方法。

1底层大空间的住宅抗震问题

1.1产生问题的原因及危害 随着小汽车进入我国家庭而带来的停车难问题,同时随着市场经济机制的建立,商品流通日益活跃,临街住宅楼底层或下面几层作为商业用房随处可见,在住宅设计中采用框架结构把底层架空作为停车场或商业用房。这种形式在住宅设计中经常采用。但是由于框架结构中填充墙虽是非结构构件,但可约束框架体系的侧向变形,在地震作用过程中承担了很大一部分地震剪力,从而使框架结构承担的地震剪力减少,提高了框架结构的侧向刚度。由于底层作为开敞的停车场,框架柱没有填充墙的约束作用,这样就使底层框架柱的侧向刚度比上部各层小,形成了竖向刚度突变,使底层框架成为柔弱层,导致底层框架柱发生过大的应力集中和塑性变形集中,使整幢建筑物的抗震能力大大地减弱。

1.2解决问题的方法和措施 为了解决上述问题的危害,必须加强底层柱的抗侧刚度和结构延性。因此应加大底层柱的断面尺寸,提高砼标号,降低底层框架柱的轴压比,同时沿底层柱全高箍筋加密,从而提高底层框架柱的抗侧刚度及延性系数,此外,亦可以把住宅填充墙改为轻质材料隔断,减弱填充墙对框架结构的约束作用和耗能作用。使整幢建筑物竖向刚度趋于均匀,各楼层的屈服系数大致相等,实现结构的整体屈服机制,从而提高了结构的整体抗震能力。

2异形柱框架结构的抗震问题

2.1 产生问题的原因 异形柱是指L形、T形和十形柱。异形柱根据住宅的平面组合而应用于住宅设计中,使柱子不突出房间内墙,增加了房间的有效使用面积,解决了矩形柱给家具布置带来的诸多不便,从而改善了住宅使用功能和构成良好的使用空间,受到广大用户的欢迎。因而根据市场需求,近年来建造了大量的异形柱框架住宅楼。异形柱框架结构在地震区的设计,目前尚未有较为系统成熟的计算方法及构造措施。在设计中往往先假定异形柱的断面尺寸,然后根据等面积和等惯性矩的原则,将其换算成矩形断面进行计算,把计算结果再换算成异形柱进行配筋。异形柱与相同截面积的矩形柱相比,截面开展,刚度较大,而异形柱换算成等截面和等惯性矩的矩形柱进行结构分析,其结果与异形柱的实际受力情况是有一定的差异的,从而不能准确地反映框架异形柱的受力变形情况。同时异形柱的弯曲中心和形心不重合,在地震力作用下会产生扭转而使截面应力状态复杂化,剪应力增加,法向应力分布不均匀。又由于异形柱短边尺寸较小,即使加强配筋,也难以避免砼的早期压碎,纵向钢筋压曲的脆性破坏现象,即柱的小偏心受压破坏。使结构延性系数小,发生地震时人逃生的时间少。

2.2解决的方法及措施 从以上分析可知框架异形柱的受力情况较复杂,其结构延性较低。因此在设计异形柱框架结构住宅楼时,应采取一定的构造措施,以满足抗震要求。如限制异形柱框架结构的应用范围,把其应用范围限制在七度区抗震设防的八层以下,同时加强横纵向框架结构的拉通联结,平面布置力求规整,刚度均匀对称,结构竖向刚度连续均匀,降低框架异形柱的轴压比(轴压比应小于或等于0.4),改善其结构延性。同时在施工过程中,应考虑框架异形柱短边尺寸较小,在节点处钢筋较密而造成砼浇捣不密实,应采用细石砼浇捣框架柱,保证砼质量。

3短柱的抗震问题

3.1产生问题的原因及危害 为了解决储藏空间问题,经常把住宅楼底层设计成储藏间,由于储藏间层高较低,致使底层框架柱形成短柱(短柱是指柱的净高与柱截面高度之比小于4)。在同一框架中,楼梯间平台梁与楼层框架梁之间在框架柱两节点间形成短柱。起居室由于功能上要求,往往把窗设计为满开间长窗,这样窗台下墙体对框架柱产生约束作用,窗框那部分柱子形成了短柱。

由于短柱刚度大,在地震作用下承担了大量的地震剪力,致使砼首先遭到破坏,然后才是钢筋产生屈服破坏,即产生脆性破坏,形成结构抗震薄弱部位,不利于提高整幢建筑物整体抗震能力。

3.2解决问题的方法和措施 在设计过程应尽力避免框架柱形成短柱现象,如无法避免,则应确保短柱的抗剪强度及变形能力,防止框架柱过早发生剪切破坏。主要措施为沿短柱全高箍筋加密(箍筋间距不大于100mm),利用箍筋对砼的变形起约束作用及箍筋本身的抗剪作用,提高柱本身的抗剪破坏能力或者可在柱身内配置一定数量的斜向钢筋(图1),亦可以显著提高短柱的抗剪能力,改变短柱延性低的不利因素。

4结束语

在住宅设计过程中,只要充分考虑分析结构在地震作用下的变形特点,并采取一定的构造措施,就可解决因建筑功能需要而影响结构的抗震能力,从而使整幢住宅楼在地震作用下达到小震不坏、中震可修、大震不倒的目的,最大限度地减少地震灾害给居住者造成的生命和财产损失。

参考文献:

[1]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社.2001.

[2]吕西林.建筑结构抗震设计理论与实例[M].上海:同济大学出版社.2002.