重视底框结构中侧向刚度比的影响因素

曹 法 书

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西 大同 037006)



重视底框结构中侧向刚度比的影响因素

曹 法 书

(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西 大同 037006)

从填充墙、底部剪力墙布置方式、边框柱、过渡层构造柱四方面，详细分析了底部框架—抗震墙砌体房屋侧向刚度比的影响因素，通过对规范的深入解读，提出了相应的合理计算方法和措施，以有效减少计算误差对房屋抗震性能的影响。

框架结构，抗震剪力墙，侧向刚度比，过渡层

随着我省新型城镇化建设的推进，大量县区棚户区、安置区建设工程的实施，多层砌体房屋在项目建设上应用广泛。由于造价低，取材方便，施工周期短的特点，在小区外围一般多布置底部框架—抗震墙砌体(以下简称底框)的结构形式，既能利用上部砖混砌体住宅，又满足了下部商业网点对大开间的需求。虽然从抗震理论上讲，这是一种不合理的结构形式，但是结构设计人员只要很好地控制其楼层上下侧移刚度比，其抗震性能还是能满足“小震不坏、中震不修，大震不倒”的设防要求，汶川地震灾区就有很多抗震性能较好的底框砌体结构房屋在大地震中屹立不倒。

1 结构侧向刚度比对房屋抗震性能的影响

根据对汶川地震房屋震害形式分析，底框砌体房屋的破坏形式多样，主要分为两大类：一类是“上刚下柔”型，即底框砌体结构的底部侧移刚度小于上部砖混过渡层，底部框剪结构是薄弱层，在水平地震作用下，底框柱破坏，结构倾斜或坍塌；另一类是“下刚上柔”型，即底部侧移刚度大于上部砖混过渡层(一般情况是底部剪力墙布置过多或过偏造成)，使得底部极限剪力系数大于上部砖混过渡层，薄弱层转移至过渡层，使得底部框剪结构的抗侧力构件延性无法发挥作用，造成上部房屋开裂、挪移甚至倾倒。

因此，底框砌体房屋的底部与过渡层的侧向刚度，对整个房屋建筑的抗震性能影响很大，结构设计人员必须重视底框砌体房屋上下层刚度比的准确计算。《建筑抗震设计规范》(以下简称抗规)条文中7.1.8-3和7.1.8-4条对侧向刚度比做了明确的限制要求。底层与底部两层框架—抗震墙砌体房屋侧刚分布示意图见图1。

表1 底框—抗震墙砌体房屋的刚度比限值

刚度比设防烈度6度，7度8度底部一层1．0≤K2/K1≤2．51．0≤K2/K1≤2．0底部两层1．0≤K3/K2≤2．0；K2≈K11．0≤K3/K2≤1．5；K2≈K1

从表1中的刚度比限值比较来看，《抗规》倾向于底部框剪刚度略低于上部砌体结构，这样可以充分利用底框结构的延性大于上部砌体结构的优点，控制底部薄弱层的变形，而上部砌体结构刚度小于底部框剪结构时，作为薄弱层变形，没有延性调整，地震破坏危害更大。影响底框房屋结构侧向刚度比的因素主要包括以下几方面。

2 底框房屋结构中填充墙对刚度比的影响

底框砌体房屋原本就是为商业网点设计建造，业主自然要根据商业布局填充一定数量的分隔墙。这些填充墙的材质、数量、布置疏密程度，对底部楼层的侧向刚度影响很大。虽然PKPM的计算程序里，设置了“考虑填充墙的周期影响系数”对话框，但是在《抗规》里没有给出多层结构具体的周期折减系数值，设计人员也不宜采用程序默认值1.0，否则造成楼层刚度比计算失真。以图2为例，一栋底部一层框架—抗震墙，上部四层砖混砌体房屋，如果周期影响系数按0.6输入，其输出刚度比K0=2.31，K90=1.16，而如果周期影响系数按1.0输入，则其输出刚度比K0=1.19，K90=0.65，刚度比相差约30%。设计人员在结构建模时，应根据底部剪力墙多少来输入周期影响系数，一般取0.6～0.8，剪力墙多时取大值，反之取小值。在实际施工中，施工单位为了进料方便，底部填充墙往往采用了与上部砖混结构一样的粘土砖砌体。这些容重较大的填充墙对底部侧向刚度影响更大，设计人员在结构说明中，一定要明确“底部填充墙采用与上部砖混结构不同的、容重较小的轻质材料”，而且一定要注明填充墙后砌作业，以便适应主体结构在水平地震力作用下不同方向的层间位移，满足在设防地震下主体结构层间变形要求。

3 底部剪力墙布置方式对刚度比的影响

通过在底部框架中设置一定数量的钢筋混凝土抗震墙，是增大底部楼层侧向刚度，增加底部延性的重要途径。为了实现底部抗震墙的延性更好发挥，楼层平面不能布置侧移刚度较大的低矮墙(即高宽比小于1.0的剪力墙)，其在水平地震力作用下，发生剪切变形，而不是弯曲变形，其破坏形态为脆性破坏，设防地震下房屋结构危害较大。要布置延性较好的弯剪型抗震墙肢，控制墙肢高宽比大于1.5且小于2.5，楼层侧向刚度会明显减弱。

为了减弱底部抗震墙的侧向刚度，可以通过在剪力墙上开洞口实现。当洞口较规则，开洞率小于15%时，可以按整体墙开小洞口考虑；当开洞率为40%～60%时，要根据剪力墙整体系数和墙肢的反弯点情况来具体分析，确定其为开口墙还是双肢墙。简单地说，就是看开洞对剪力墙连梁的影响，如果开洞后连梁弱化成框架梁杆系，就应按双肢剪力墙输入。在程序计算下，楼层剪力墙刚度按不同方式输入相差很大，图2中④轴，⑥轴等处剪力墙开洞按不同方式输入，输出的底框房屋剪力、刚度比差别较大，见表2。工程设计中一定要严格按实际情况相对准确建模，以免刚度计算失真，影响结构抗震性能。

表2 剪力墙开洞按不同方式输入的剪力、刚度比

4 底框房屋结构中边框柱对刚度比的影响

在底部框砌体房屋中，抗震墙的布置形式多采用在框架柱中嵌入一段钢筋混凝土剪力墙，如图2所示，①轴，⑨轴上的钢筋混凝土剪力墙。程序计算时如何考虑边框柱对剪力墙的刚度影响，根据PKPM说明手册，“对混凝土抗震墙可选择考虑边框柱的作用，对砖抗震墙可选择不考虑边框柱的作用”。但是，笔者认为不能一概而论，按照抗震设计的“二道防线”概念，底框砌体房屋结构中，抗震墙是第一道防线，框架柱是第二道防线。不宜将框架柱与剪力墙作为组合截面考虑，否则加大了抗震墙的剪力设计，而忽略了框架柱的剪力设计调整。尤其剪力墙墙肢长度较小时，不考虑边框柱对剪力墙侧移刚度作用，是偏安全的。

5 过渡层构造柱对刚度比的影响

底框房屋上部砌体砖墙中的钢筋混凝土构造柱，对墙体起约束作用，能显著提高墙体的受剪承载力。同时，构造柱与圈梁形成上部住宅楼层的弱框架，对上部砌体结构的刚度计算贡献很大，因此《抗规》7.1.8-3和7.1.8-4条中明确提出过渡层刚度要计入构造柱的影响。尤其是《抗规》7.5.2条新增内容，加强了过渡层构造柱的设置，增加了“墙体内构造柱间距不宜大于层高”“纵向钢筋6度，7度时不宜少于4Φ16,8度时不宜少于4Φ18”“大于1.2 m的门洞和大于2.1 m的窗洞两侧宜增设截面不小于120×240 mm的构造柱”等内容。结构设计人员在PKPM中建模时，一定要将上部楼层(尤其是过渡层)砌体墙中的构造柱同时输入，参与底框房屋上下层刚度比的程序计算。

6 结语

底框砌体房屋是一种适应我国经济欠发达地区的建筑结构体系，尤其是在广大县区农村中的大量建设。结构设计人员有责任采取严格的相对准确计算，重视底框与过渡层的刚度比计算，分析其各种影响因素，使底框砌体房屋在设防地震下也能具有良好的抗震表现。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[2] 黄世敏,杨 沈.建筑震害与设计对策[M].北京：中国计划出版社，2009.

Influential factors of lateral rigidity ratio of bottom-frame structure

Cao Fashu

(Datong2ndBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Datong037006,China)

Starting from four aspects of filling wall, bottom shearing wall arrangement method, lateral frame column and transition layer structure column, the thesis analyzes influential factors lateral rigidity ratio of bottom frame-seismic wall masonry house. Through interpreting norms, it puts forward corresponding rational calculation methods and measures, with a view to effectively reduce the impact of calculation errors upon housing seismic resisting performance.

framework structure, seismic-resisting shear wall, lateral rigidity ratio, transition layer

1009-6825(2017)18-0027-02

2017-04-10

曹法书(1973- )，男，工程师

TU375.4

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