谈底框—抗震墙结构房屋抗震设计要点

2010-08-15徐海亮白文彪车文鹏

山西建筑 2010年22期

徐海亮白文彪车文鹏

近年来，在城镇地区出现了许多的底框—抗震墙结构房屋，底层为商业，上部为住宅的多层房屋。底层商业为钢筋混凝土框架结构，在平面布置上满足了灵活的要求，上部住宅一般为多孔砖砖混结构，这种结构形式既满足了商业要求，又给附近居民生活带来了很大的方便，另外该结构形式还比较经济。但是，历次震害表明，该结构在震害时底部发生变形集中，因出现大的侧移而严重破坏，甚至坍塌。即从结构抗震角度而言，该结构抗震整体性能差，“头重脚轻、上刚下柔”，最容易引起底层的严重破坏，从而危及整个房屋的安全。所以需要设计上更加慎重的解决好有关问题，保证其结构的安全性。本文叙述该结构在设计时的几方面要点。

1 结构方案方面

1)不应采用两种不同的结构受力体系。比如将邻街的一半设计为底框—抗震墙结构，而另一半为砖墙体落地的全砖混结构，在一个结构单元内造成平面刚度和竖向刚度二者都产生突变，对抗震十分不利。2)房屋的平立面布置应规则、对称。底层框架房屋平面上凹进凸出，会导致各部分质量不均匀，或者建筑物外纵墙被人为割断，严重影响抗震刚度。从历次震害看，底框结构的房屋体形应简单、对称，结构抗侧力构件的布置应尽量对称，以减少水平地震作用下的扭转。对平立面是否规则，应以GB 50011-2008建筑抗震设计规范(以下简称《抗震规范》)中第3.4.1条、第3.4.2条为依据。如由于种种原因致使平面不规则，则应按抗震规范第3.4.3条进行地震作用计算，并采取相应的构造措施。3)底部框架结构的柱网不宜过大，一般控制在7.5 m左右，并且框架梁上悬墙数目不应超过一道。同时考虑底部框架梁横断面高度取值应控制在1/5～1/8梁跨，如果柱网过大，会使梁断面及配筋出现异常现象，而上部悬墙数目增多，更会加重这种现象。梁的断面及配筋过大，使底框结构中本来就存在的强梁弱柱的问题更为突出，使这类房屋的结构安全储备大大降低。4)房屋的层数和总高度要限制，高宽比要适当。要满足《抗震规范》中第7.1.2条、第7.1.3条。建筑立面应避免头重脚轻，结构重心应尽可能降低，尽量避免设置屋顶女儿墙、水箱间等。5)必须在底部框架中布置一定数量的抗震墙。《抗震规范》规定:不能采用纯底框结构，一定要在两个方向设置抗震墙成为框架—抗震墙结构。当底层没有设计抗震墙时，上刚下柔;若仅设横向抗震墙时，横刚纵柔，上面几层砖房的质心与底层纵向和横向的刚心位置偏差较大，在地震作用下容易发生扭转破坏。结构设计中抗震墙如何设置，有时需要反复计算，多次与建筑专业协调。通常抗震墙的布置原则如下:a.抗震墙布置应“均匀、对称、周边、分散”。同时要考虑底框上面几层的砖混结构质心位置，使底层纵向和横向的刚心尽可能与整幢房屋的质心相重合。b.抗震墙间距应符合要求。横墙的间距限制主要是防止楼板平面出现过大的变形而不能使各层的地震作用传递到抗震墙上。因此与楼、屋盖的刚度有关，一般底框结构的楼、屋盖采用现浇为宜，在6度，7度，8度抗震设防时抗震横墙的最大间距分别为 21 m，18 m和 15 m。c.抗震墙不宜布置在同一条纵轴线上。在沿街底框房屋的设计时，设计人员往往按照业主的要求，在沿街的纵墙上开设大洞口，便于营业和经营，仅在内纵墙上设置剪力墙，这样对抗扭转是极不利的。d.控制抗震墙高宽比。《抗震规范》规定:抗震墙的高宽比应在1～4之间。因为当抗震墙高宽比大于4时，其等效侧向刚度不予考虑。当抗震墙高宽比小于1时，此时可称之为低矮抗震墙。低矮抗震墙的抗侧力刚度和承担的地震剪力较大，变形和耗能能力较差，受地震作用时为剪切破坏。为此，低矮抗震墙应设结构缝将墙体分开。e.抗震墙的形式有 L形、T形、[形、口形、Ⅱ形、一字形等。从受力角度和使用角度分析，宜优先选用L形、T形，不宜选用一字形。

2 结构计算方面

1)应认真复核结构计算模型，保证模型的准确合理。2)侧移刚度的控制。《抗震规范》中强调，底层框架—抗震墙房屋的纵横两个方向，第二层与底层侧向刚度的比值应接近，抗震设防烈度为6度，7度时不大于2.5，8度时不大于1.5，且均不应小于1.0;底部两层框架—抗震墙房屋的纵横两个方向，底层与底部第二层侧向刚度比值应接近，第三层与底部第二层侧向刚度的比值，抗震设防烈度为6度，7度时不应大于 2.0，8度时不应大于1.5，且均不应小于1.0。在实际设计中，常遇到底部框架承载力验算不满足，靠增加抗震墙的数量或厚度来满足，但侧移刚度比限值又满足不了的难题。如果采用设置结构洞口的办法，即在钢筋混凝土抗震墙上设置洞口并采用轻质砌块材料填实的方法，可在满足承载力验算要求的同时又符合侧移刚度比限值的要求。3)底部剪力法仅适用于刚度比较均匀的多层结构，对于具有薄弱底层的底层框架砖房，应考虑塑性变形集中的影响。底部剪力法对底层地震剪力要乘以一个1.2～1.5的增大系数。4)底框剪力分配不能按照框架—抗震墙的方法进行，因为底层框架砖房只有底层是框架—抗震墙，且底层还有塑性变形，所以要采取双保险的办法。对抗震墙要使其承担全部剪力，对框架要按刚度比分配，不过要注意，在刚度计算时框架是按弹性计算的，而抗震墙开裂后刚度会退化。据有关试验数据得知，其刚度将下降到弹性刚度的20%～30%。5)底层框架柱应考虑地震的倾复力矩引起的附加轴力。6)框架梁中的扭转效应不可忽视。底部框架结构中悬墙对框架梁产生的扭转效应十分明显，尤其是对边梁及一根梁上有两个以上反向扭矩作用时这一反应更为突出。与抗震墙相连的边框梁应按连续梁计算其内力。7)剪力墙下基础应考虑地震效应组合。8)对于结构计算软件的局限性应根据计算软件技术条件进行必要的补充计算。

3 抗震构造方面

1)材料强度要求。《抗震规范》规定底部框架—抗震墙房屋材料强度等级应符合下列要求:框架柱抗震墙和托梁的混凝土等级不应低于C30。2)砌体抗震墙的最小厚度为240 mm。沿框架柱每隔500 mm配置2φ 6拉结钢筋，并沿通长布置。在墙体的半高处设置与两端框架柱相连的水平系梁，梁高可为60 mm。墙长大于6 m，应在墙内增设钢筋混凝土构造柱。3)底部的钢筋混凝土抗震墙应设置为带边框架的钢筋混凝土墙，边框梁的截面宽度不宜小于墙厚的1.5倍，截面高度不宜小于墙厚的2.5倍。边框柱的截面不宜小于不设钢筋混凝土墙的框架柱，且不宜小于墙厚度的2倍。因使用要求无法设置边框柱的墙，应设置暗柱，其截面高度不宜小于2倍的墙厚度，并应单独设置箍筋。高宽比小于1.0的抗震墙设置竖缝断开时，竖缝处应放置两块预制的钢筋网砂浆板或钢筋混凝土板，其厚度可为50 mm，宽度与钢筋混凝土抗震墙的厚度相同;竖缝处两墙端应设置暗柱，暗柱的截面范围为1.5倍的抗震墙的厚度，暗柱的纵筋不宜小于4φ 16，箍筋可采用φ 8，间距不宜大于200 mm;对于边框梁的箍筋除其他加密要求外，还应在竖缝处1.5倍梁高范围内给予加密，箍筋加密间距不应大于100 mm。4)剪力墙的边缘构件要求。《抗震规范》规定:底部框架—抗震墙房屋的钢筋混凝土结构部分，应符合建筑抗震规范关于钢筋混凝土的有关要求，此时，底部框架—抗震墙房屋的框架和抗震墙的抗震等级，7度，8度时可分别按三、二、一级采用。如果按此规定，则一层剪力墙应设置约束边缘构件。5)托墙梁要求。7度以上抗震地区，托墙梁应按普通受弯梁计算，上部载荷对无洞口墙可适当折减，对有洞口墙不应折减。在托墙梁配筋设计时，应按墙梁构造适当增加梁上部贯通负筋以保证托墙梁在无地震工况下的合理应力分布。6)加强过渡层的楼盖、构造柱。采用钢筋混凝土现浇板时，板厚不宜小于120 mm，并应少开洞、开小洞。当洞口尺寸大于800 mm时，洞口四周应设边梁。《抗震规范》规定过渡层应在底部框架柱对应的位置处设构造柱，且构造柱与下部的框架贯通，构造柱的截面应不小于 240 mm×240 mm，纵筋 6度时不宜少于 4φ 14，7 度时不宜少于 4φ 16，箍筋φ 8@200。