底框结构的抗震能力分析

2010-08-20亢元元胡希冀

山西建筑 2010年4期

亢元元胡希冀

底部框架房屋主要是指底部采用钢筋混凝土框架的多层砖房,其特点是:这种结构整体抗震性能差,主要是底部的承重构件是钢筋混凝土柔性框架,上部是砖墙承重的刚性多层砖房,底部的抗侧移刚度比上部砖房要小得多,底部柔,上部刚,刚度的急剧变化使得房屋在地震作用下的侧移集中发生在底层,而上部各层的位移较小,遇到地震时若设计处理不当,最容易引起底部的严重破坏,从而危及整个房屋的安全。

底框结构是我国现阶段经济条件下所特有的一种结构,从抗震上来说,它是一种不合理的结构形式,但由于我国当今的经济发展水平有限,这种结构目前还无法完全摒弃,因此在我国内地,尤其是广大西北部地区的临街建筑中仍广泛采用。由于底部框架抗震墙砖房是由钢筋混凝土框架抗震墙和上部砖房两种承重体系和抗侧力体系构成,而由于这两种抗侧力体系在抗震性能等方面的差异,使得这类结构的结构选型与抗震设计比较复杂。临街建筑采用这类结构,底部临街一侧由于使用及美观的要求,常不设置抗震墙或所设置的抗震墙的数量较少,而另一侧所设置的抗震墙的数量则较多,造成结构的质心与刚度中心不一致,地震时易引起较为严重的扭转效应,加剧了地震的破坏作用。

1 底框结构的抗震能力分析

底部框架—抗震墙砌体房屋是由底层或底部两层为框架抗震墙、上部为多层砌体房屋构成的。这类房屋的底部框架—抗震墙结构部分具有一定的抗侧力刚度和一定的承载能力、变形能力及耗能能力;上部多层砌体房屋具有较大的抗侧移刚度和一定的承载能力,但变形和耗能能力相对较差,上面几层砌体结构,由于开间小、横墙多,不仅重量大,侧移刚度也大,而底层框架侧移刚度比上层小得多。这种结构的整体抗震能力取决于底部和上部各自的抗震能力,又取决于底部和上部结构的抗侧力刚度和抗震能力的相互大小程度,也就是说不能存在特别薄弱的楼层,凡震害比较严重的部位,均是由于抗震设计考虑不周而出现的相对薄弱的楼层。因此,尽量避免薄弱楼层是底部框架—抗震墙砌体房屋抗震设计中的一个相当重要的概念。震害调查表明底框抗震砌体房屋的倒塌是由薄弱层开始的,从分析研究可以看出,底层抗震墙布置不足的底框抗震砌体房屋,底层是薄弱层;而当底层抗震墙设置过多时,则第二层为薄弱层。

底部框架结构与上部砖混结构的刚度相比是底框抗震墙结构设计的最关键问题。若底部框架结构的刚度相对于上部砖混结构的刚度比较大,整个结构形成下刚上柔的结构体系能较好地抵抗地震作用,是比较理想的结构体系;但下部刚度太大意味着下部框架结构中的抗震墙数量较多或者柱子的截面较大,这样既影响了建筑空间的利用又增加了工程的造价。

底部框架结构的薄弱层与抗震墙数量的多少有很大的关系。合理的抗震墙数量应该是底部框架—抗震墙砖房结构的层间位移反应较为均匀,同时避免底层过强使得薄弱楼层转移到抗震性能较差的上部砖房部分;应该使房屋的薄弱部位出现在变形和耗能能力都较好的底部框剪层,又可避免框剪层变形过分集中,从而提高结构的整体抗震能力。而抗震墙的数量的确定与很多因素有关,如层刚度比、抗震墙设置的间距、框剪层与相邻砖砌体层的弹塑性位移的比值、抗震墙的布置形式等。

2 实例分析

本文按照我国《建筑抗震设计规范》所提出的“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准抗震性能,通过应用由中国建筑科学研究院开发研制的PKPM结构系列软件对某地区一商住综合楼进行了结构抗震性能分析。此商住综合楼为底部框架结构,共6层,底部1层,2层为混凝土框架,3层～6层为砖混结构。图1为底层平面示意图,柱截面尺寸为550 mm×550 mm,梁截面尺寸横向为300 mm×600 mm,纵向尺寸为300 mm×600 mm,底部两层抗震墙厚为250 mm,混凝土强度等级为C30,3层以上砌体层砖强度等级为MU10,砂浆强度等级为M7.5,层刚度比为1.57。采用PKPM结构分析程序输入El-centro地震波对结构进行弹性动力时程分析,图2～图5为计算分析结果。

由图2～图5的计算分析结果可以看出:

1)楼层位移和楼层力基本呈倒三角形分布,且楼层位移和层间位移都很小,底部的层间位移角最大为1/1 457,结构仍处于弹性状态,基本可以保证“小震不倒”的性能要求;2)当底部框架为两层时,薄弱层往往在第二层框架。