淺談底框—抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李惠琴

底商多層住宅近年來(lái)在城市很常見(jiàn)，即將一層作為商店、車庫(kù)等，上部為住宅、寫字樓等建筑。此類建筑的結(jié)構(gòu)形式通常采用底框—抗震墻結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于房屋的底部可提供較大較靈活的空間做商業(yè)，在上部可蓋空間規(guī)整、不露柱子、造價(jià)低廉的磚混住宅。嚴(yán)格控制相鄰側(cè)移剛度，合理布置上下樓層的墻體，并提高底部框架的抗震等級(jí)。這就使底框結(jié)構(gòu)的適用范圍更加推廣。現(xiàn)將底框—抗震墻設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題簡(jiǎn)述如下，供大家參考。

1 底框—抗震墻結(jié)構(gòu)抗震墻的設(shè)計(jì)

1.1 抗震墻布置原則

底框—抗震墻結(jié)構(gòu)的薄弱部位有兩個(gè):1)豎向剛度發(fā)生突變的最底層磚混;2)最底層框架。因此，底框—抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在底部框架和兩層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，合理設(shè)置一定數(shù)量的抗震墻，增加底部框架的剛度，保證結(jié)構(gòu)的剛度不發(fā)生突變至關(guān)重要。

底部框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻既是承擔(dān)豎向荷載的主要構(gòu)件，更是承擔(dān)水平力的主要構(gòu)件，在地震中起第一道防線作用，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮底部剪力墻承擔(dān) 100%的水平地震作用，而框架只承擔(dān)小部分的地震力作為安全儲(chǔ)備。震害觀測(cè)表明，底框磚房在地震時(shí)底層將發(fā)生變形集中，會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的側(cè)移而嚴(yán)重破壞甚至倒塌。鑒于此，2010年的抗震規(guī)范在近十幾年各地試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)底框架結(jié)構(gòu)剪力墻的布置做出了更科學(xué)的調(diào)整。

首先，抗震墻間距要滿足最大橫墻間距限制，6度、7度、8度設(shè)防區(qū)最大橫墻間距分別為18m，15m和11m。

其次，剪力墻應(yīng)沿 2個(gè)主軸方向都有布置，使之形成直角以更好地發(fā)揮抗震作用。

另外要克服矯枉過(guò)正的偏見(jiàn)，有些設(shè)計(jì)人員認(rèn)為既然底框結(jié)構(gòu)底層薄弱就多布置一點(diǎn)剪力墻，越強(qiáng)越好，實(shí)際上是走向另一個(gè)極端。剪力墻的設(shè)置應(yīng)與上部砌體結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，抗震設(shè)計(jì)的原則是沿樓層間側(cè)移剛度應(yīng)均勻變化，而不允許各層間發(fā)生突變。

1.2 抗震墻的數(shù)量要求

抗震墻的數(shù)量以滿足規(guī)范要求的剛度比，滿足抗震橫墻的最大間距要求。

1.3 抗震墻的布置方式

框剪結(jié)構(gòu)剪力墻布置有 8字方針，即“周邊，均勻，對(duì)稱，相交”。底框結(jié)構(gòu)中山墻一般要布置剪力墻，因?yàn)橹辉诿總€(gè)住宅單元樓梯間兩側(cè)布置混凝土剪力墻的底框結(jié)構(gòu)是不宜采用的。

相關(guān)試驗(yàn)表明，加大底層空曠房屋兩端平面剛度，對(duì)底層框架端部豎向位移進(jìn)行控制，可有效增加底層框架的安全儲(chǔ)備，但盡管如此，布置也并不全周邊，中間還需要很多剪力墻。因此底框結(jié)構(gòu) 8字方針可概括為“豎直，均勻，對(duì)稱，相交”，所謂豎直就是在布置底層剪力墻時(shí)應(yīng)盡量對(duì)應(yīng)上部上下豎直、中間不間斷的墻體，否則即使底層布置的剪力墻剛度再大，若豎向無(wú)對(duì)應(yīng)的上部墻體，不僅傳力途徑不直接，且上下層剛心相距較遠(yuǎn)，地震時(shí)上部墻體與底層剪力墻間會(huì)形成很大扭矩，極易破壞。

另外，布置底層剪力墻時(shí)要避開(kāi)上部墻體洞口，若具體執(zhí)行時(shí)實(shí)在難以避開(kāi)(例如樓梯間入戶門等)，那么應(yīng)采取在上部洞口兩側(cè)增加構(gòu)造柱等加強(qiáng)措施，以更好地傳遞地震力。對(duì)個(gè)別剪力墻未能與上層磚墻對(duì)應(yīng)者，應(yīng)設(shè)法加大底層與二層轉(zhuǎn)換層之間樓板的平面內(nèi)剛度，例如樓板加厚，配筋率增加，雙向雙層配筋等。所謂相交主要是指剪力墻應(yīng)盡量布置成L形和T形，以使它們相互支撐，增大每片單肢墻的平面外剛度，增強(qiáng)抗扭性。

具體設(shè)計(jì)時(shí)剪力墻的長(zhǎng)度、開(kāi)洞等均需通過(guò)計(jì)算確定。剪力墻的計(jì)算長(zhǎng)度確定后，應(yīng)將實(shí)墻面布置在兩端，中間用洞口分隔，避免采用一端有剪力墻而另一端為獨(dú)立柱的方式。

1.4 抗震墻的高寬比

按規(guī)范規(guī)定:抗震墻的高寬比應(yīng)在 1～4之間。因?yàn)楫?dāng)抗震墻高寬比大于 4時(shí)，等效側(cè)向剛度可不考慮。當(dāng)抗震墻高寬比小于1時(shí)，此時(shí)可稱之為低矮抗震墻。低矮抗震墻的抗側(cè)力剛度和承擔(dān)的地震剪力較大，變形和耗能能力較差，受地震作用時(shí)為剪切破壞。因此，混凝土剪力墻具體布置時(shí)宜開(kāi)設(shè)洞口形成若干墻段，并保證各墻段高寬比不小于 1。

2 底框—抗震墻結(jié)構(gòu)剛度比的要求

底部框架結(jié)構(gòu)與上部磚混結(jié)構(gòu)的剛度比設(shè)計(jì)是底部抗震墻設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問(wèn)題。若底部框架結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)于上部磚混結(jié)構(gòu)的剛度比較大，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成下剛上柔的結(jié)構(gòu)體系，能較好的抵抗地震的作用，是比較理想的結(jié)構(gòu)體系，但下部剛度太大就意味著下部框架結(jié)構(gòu)中的抗震墻數(shù)量過(guò)多或柱子截面較大，這樣既影響了建筑空間的利用，又增加了工程造價(jià)。若底部框架結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)于上部磚混結(jié)構(gòu)的剛度比較小，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成下柔上剛的結(jié)構(gòu)體系，下部框架結(jié)構(gòu)將形成薄弱部分，不利于抵抗地震的作用，是應(yīng)該避免的結(jié)構(gòu)體系。

因此GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第7.1.8條同時(shí)對(duì)底部框架—抗震墻房屋縱橫兩個(gè)方向底層或底部二層與二層或三層的側(cè)向剛度之比作了規(guī)定。對(duì)于 6度、7度抗震設(shè)防地區(qū)，規(guī)定其側(cè)向剛度比不應(yīng)大于 2.5，對(duì)于 8度抗震設(shè)防地區(qū)規(guī)定其側(cè)向剛度比不應(yīng)大于2.0，且均不應(yīng)小于 1.0。底部?jī)蓪涌蚣堋拐饓ζ鲶w房屋縱橫兩個(gè)方向，底層與底部二層側(cè)向剛度應(yīng)接近，第三層計(jì)入構(gòu)造柱影響的側(cè)向剛度與底部第二層側(cè)向剛度的比值，6度、7度時(shí)不應(yīng)大于2.0，8度時(shí)不應(yīng)大于 1.5且均不應(yīng)小于 1.0。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和滿足規(guī)范要求的前提下，建議底部一層框架結(jié)構(gòu)的剛度比在1.2～1.8之間(根據(jù)不同的地震烈度選用);底部?jī)蓪涌蚣芙Y(jié)構(gòu)的剛度比在 1.2～1.5之間(根據(jù)不同的地震烈度選用)。調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度比的方法主要是改變底部抗震墻的數(shù)量、厚度、長(zhǎng)度、形式與位置，將底框結(jié)構(gòu)的部分抗震墻延伸到過(guò)渡層，改變底部框架柱的截面尺寸，改變上部磚混結(jié)構(gòu)中縱橫墻的數(shù)量、厚度及構(gòu)造柱的大小、數(shù)量等。視具體情況而定。

3 底框—抗震墻結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施

3.1 底部框架—抗震墻房屋的上部砌體結(jié)構(gòu)

由于底部框架—抗震墻與上部砌體為兩種不同的結(jié)構(gòu)體系，兩種不同的材料，其抗震性能和變形能力均相差較大。為保證上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，提高砌體結(jié)構(gòu)的延性同樣重要。因此《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第 7.5.1條規(guī)定底部框架—抗震墻房屋的上部砌體應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱，在過(guò)渡層尚應(yīng)在底部框架柱對(duì)應(yīng)位置設(shè)置構(gòu)造柱。特別是過(guò)渡層的墻體，除提高磚及砂漿標(biāo)號(hào)外，宜沿墻體全長(zhǎng)配置水平鋼筋，此外合理設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱是保證上部砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性的關(guān)鍵，過(guò)渡層構(gòu)造柱可適當(dāng)加密，其間距可控制在 2.5m～3.0m之間。

3.2 底部框架—抗震墻房屋的托墻梁

托墻梁是底部框架—抗震墻房屋的底部與上部的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。因此GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第 7.5.8條對(duì)底部框架—抗震墻房屋的托墻梁的截面尺寸、箍筋的直徑、間距及加密區(qū)范圍都有明確的規(guī)定。由于底部框架—抗震墻房屋的托墻梁與一般的抗震結(jié)構(gòu)房屋框架梁有一定的差異，突出的特點(diǎn)是截面應(yīng)力分布的中和軸上移。因此規(guī)范規(guī)定托墻梁應(yīng)沿梁截面高度設(shè)置2Φ14@200的腰筋，同時(shí)還規(guī)定托墻梁的主筋和腰筋應(yīng)按受拉鋼筋的要求錨入柱內(nèi)，且支座上部的縱向鋼筋在柱內(nèi)的錨固長(zhǎng)度應(yīng)符合鋼筋混凝土框支梁的有關(guān)要求。

3.3 底部框架—抗震墻房屋的過(guò)渡層樓蓋

過(guò)渡層樓蓋:底部框架—抗震墻房屋過(guò)渡層的樓蓋是房屋的重要部位，也起著底部地震剪力的傳遞、各抗側(cè)力構(gòu)件間的分配、房屋傾覆力矩在底部的分配、各層砌體結(jié)構(gòu)與底部框架—抗震墻結(jié)構(gòu)的過(guò)渡等重要作用。因此《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第 7.5.7條規(guī)定:過(guò)渡層板厚不應(yīng)小于120mm，對(duì)過(guò)渡層樓板開(kāi)洞也作了規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

底部框架—抗震墻結(jié)構(gòu)作為一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，所以說(shuō)它是我國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)條件下特有的一種結(jié)構(gòu)，雖然其抗震性能不是很好，但只要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格按照規(guī)范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完全能夠做到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防總目標(biāo)。

[1] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2010年版)[S].

[2] 鄭山瑣，薛建陽(yáng).底部框剪砌體房屋抗震分析與設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2010.

[3] 賈曉坤，郭 雷，張 凱.框架剪力墻結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)push-over分析[J].山西建筑，2009，35(7):64-65.