底部两层框架—抗震墙房屋的抗震设计

王育林

摘要：结合工程设计实例，按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的规定，对底部两层框架-抗震墙房屋的抗震设计重点作简要分析，并提出设计建议。

1、概论

对于城镇临街建筑，往往要求在建筑底层设置商店、饭店、银行等，做成底层框架-抗震墙、上部多层砖混房屋，对于这种结构形式，从抗震上讲是不利的，但因其在使用上的方便、灵活以及造价相对全框架结构较低等优点，所以应用较广。

随着经济的发展，对此类建筑的要求又有所提高，提出在底部设置二层框架-抗震墙作为商业用房，上部仍为多层砖混房屋。《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（以下简称规范）与89规范相比，纳入底部两层框架-抗震墙、上部多层砖混房屋的相关相容，为此类建筑的建造奠定了基础。

2、震害及其分析

在2008年汶川地震中，大量底部及底部两层框架-抗震墙结构的房屋发生了较为明显的震害，甚至倒塌或部分倒塌。底部及底部两层框架-抗震墙房屋的特点是由两种不同的结构、两种不同的材料上下组合而成，底部的质量轻刚度小，上部的质量重刚度大，表现为上刚下柔、头重脚轻，两种结构（材料）的抗震性能不同且差别较大，那么这类房屋的整体抗震能力就决定于两种结构（材料）各自的抗震能力和它们的相互匹配关系。

底部及底部两层框架-抗震墙结构的房屋，最为常见的震害集中在底部框架-抗震墙部分，一般表现为抗震墙沿对角线方向发生剪切破坏，出现交叉斜向裂缝，框架柱端部产生水平裂缝甚至局部压溃，形成柱铰。震害原因是：底部抗震墙数量过少，与上部砖混相比刚度太小，且底部所承受的地震作用较大，造成层间位移过大而丧失承载力，最终导致框架-抗震墙破坏甚至倒塌。下图为北川县某底部两层框架-抗震墙+上部五层砖混结构商住楼底部两层倒塌及细部柱铰。

另外一种情况是，底部设置的抗震墙数量太多，框架-抗震墙的刚度大于上部砖混，导致薄弱层上移至砖混部分，而上部的材料特性决定了结构不具备太大的耗能能力，最终导致上部发生脆性破坏甚至倒塌。下图为都江堰市某六层底框结构房屋的二层完全坍塌和局部坍塌。

3、一般规定

3.1结构布置

底部两层框架-抗震墙的布置，除了考虑底部的均匀对称外，还需要考虑上部砖混的结构布置，使房屋底部纵横向的刚度中心尽可能与整个房屋的质量中心相重合。底部纵横向均应布置一定数量的抗震墙，抗震墙应尽量均匀对称布置，并保持一定的距离，最好布置在建筑的外围或靠近外墙处，纵横向抗震墙宜连为整体，组合L形、T形等。抗震设防烈度为6、7度时底部抗震墙间距分别不应大于18m、15m。

为便于坚向荷载及地震荷载的直接传递，应合理布置上下层结构，尽量使上部承重砖墙与下部框架或抗震墙对齐或基本对齐。条件许可时，各道纵横向承重砖墙下均布置框架或抗震墙，确有困难时，可以有部分承重砖墙落在次梁上，但数量不能太多，建议对住宅每户不能多于一道，其它情况不能多于20%。上部砖混外墙下均应布置框架或抗震墙。

3.2总高度和层数的限制

对砌体房屋限制总高度和层数是主要的抗震措施。淮安地区一般为6度、7 度设防，对底部框架-抗震墙房屋的总高度限值为22m，总层数不超过7层。同时规定底部框架-抗震墙层高不大于4.5m，上部砖混层高不大于3.6m。

4、工程实例

PKPM是目前应用最广的结构辅助设计软件，SATWE和TAT模块均能完成底部框架-抗震墙房屋的空间整体分析计算。下面就工程实例结合软件应用对底部框架-抗震墙房屋的抗震设计作介绍。

4.1工程概况

机场路安置小区13号楼位于淮安市经济开发区，底部两层框架-抗震墙，层高均为3.7m，上部4层砖混住宅+阁楼，住宅层高2.8m，阁楼总高2.9m，建筑总高度20.66m（室外地面至坡屋面1/2高度处），梁板式筏形基础，基础埋深-1.2m，因房屋超长，中部设置一道抗震缝分隔为两个单元结构。7度抗震设防，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g。

4.2地震作用计算

本工程为底部两层框架-抗震墙房屋，属于上刚下柔结构，且层数不多，按规范可采用底部剪力法作简化计算，但应严格按规范要求对地震作用作相应调整，FEk=αmax*Geg=2646.7kN，计算时水平地震影响系数取αmax=0.08，并不计顶部附加水平地震作用.

SATWE程序做底部框架-抗震墙部分计算时，把结构在转换层楼盖处切开，将上部砌体的水平地震作用及竖向重力荷载作用于转换层楼盖处，不考虑上部砖混房屋的刚度贡献，将底部框架-抗震墙作为独立结构分析并于顶部附加倾覆力矩M2=17142KN*m.

4.3地震作用分配

底部抗震墙承担的水平地震剪力。抗震墙开裂前的侧向刚度远大于框架的侧向刚度，同方向抗震墙所分担的层间水平地震剪力占该层地震剪力的90%以上，为简化计算，规范要求抗震墙承担该方向的全部地震剪切角力，并按侧向比例在墙间分配。

底部框架承担的水平地震剪力。在地震作用下，抗震墙将开裂，刚度相应降低，此时框架将承担更多的地震剪力，因此规范规定在计算底部框架承担的水平地震剪力时，各抗侧力构件应采用有效刚度，对砼抗震墙取折减系数0.3。即一榀框架承担的地震剪力为：

地震倾覆力矩的分配。倾覆力矩产生的效应是使结构转动，故应按底部框架和抗震墙的转动刚度的比例进行分配。但是按转动刚度的比例分配倾覆力矩计算比较复杂，为简化计算，规范规定，底部各轴线承担的地震倾覆力矩，可近似按底部框架和抗震墙的侧向刚度的比例分配确定，地震倾覆力矩分配后使抗震墙产生附加弯矩，框架产生附加轴力。

4.4层刚度比的控制

对本工程而言，层刚度比的控制是设计的重点，规范明确规定，底层与底部第二层侧向刚度应接近，第三层与底部第二层侧向刚度的比值不应大于2.0，且不应小于1.0。

各层侧向刚度均匀的房屋，在水平地震作用下，层间位移也比较均匀，房屋具有较强的整体抗震能力，但如果底部的侧向刚度过大，也会使薄弱层转移到上部砖混部分，同样对房屋抗震带来不利影响。

按规范要求，房屋底部纵横两个方向均要布置一定数量的砼抗震墻，经计算发现，即便砼抗震墙的数量并不多，K3/K2却已经小于1.0，这和抗震墙的长度及程序输入方法有关。抗震墙布置时应尽量使其高宽比大于2，可以采用开设洞口、坚缝等方法控制抗震墙刚度。针对PKPM程序，其对开洞抗震墙均按小开口整体墙处理，因此建议各片抗震墙按独立墙肢输入，以减小程序计算误差.

4.5构造要求

本工程构造设计主要包括以下内容：过渡层及上部砖混构造、转换层楼盖构造、托墙梁构造、框架及抗震墙的构造、各部位材料要求等，规范均有明确的要求，这里不做细述。

5、结束语

底部两层框架-抗震墙房屋是一种不利于抗震的结构体系，因为它既是上下层不同材料组成的结构，又是上下层刚度差异较大的结构。但由于我国还处于发展的初期，从经济上考虑可采用此类结构，但必须按规范采取相应的措施加以严格限制，以保证结构抗震的安全。

底部两层框架-抗震墙房屋抗震设计的关键内容包括：上下层刚度比的控制、相应部位的抗震构造措施等，均应引起设计者的重视。

参考文献：

1.《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 中国建筑工业出版社

2.《PKPM建筑结构设计软件2008版新功能详解》中国建筑工业出版社

3. 徐建《建筑结构设计常见及疑难问题解析》中国建筑工业出版社

4.王亚勇《汶川地震建筑震害启示录》地震出版社