1、底部框剪多层砌体的房屋抗震0 引言底部框剪多层砌体房屋在我国地震区一些中小城市的临街建筑中已被广泛采用,并有继续扩大使用的趋势。房屋底部采用大空间的框剪结构,可用作商场、餐厅或停车场等, 上部采用砌体结构,可用作住宅、办公用房或宾馆客房。底部框剪多层砌体房屋由钢筋混凝土框架抗震墙和上部砌体结构两种承重和抗侧力体系构成,底部刚度小于上部, 是一种上刚下柔结构。但是,上刚下柔结构房屋 ,抗震性能总体上较差,历次地震中破坏十分严重,如美国的San Fernando 的 Olive View 医疗中心,在 1971 年 2 月 9 日的地震中,主楼底层柱严重酥裂,钢筋压曲。南斯拉夫科普耶市十月街的一幢
2、五层楼房,1963 年地震后,上面各层几乎没有震害,而底层严重歪斜。 2008 年 5 月 12 日我国汶川特大地震中,很多底框房屋倒塌,造成巨大的损失。同时,震害调查结果也表明 ,在 7,8 度区甚至在 9 度区, 砖混结构房屋受轻微损坏,或者基本完好的例子也不少。因此 ,在合理的抗震设计、良好的施工质量的前提下 ,底部框架抗震墙砌体房屋是可以获得满意的抗震能力的。本文将从房屋结构设计的角度对底部框架-抗震墙砌体房屋抗震设计方法的相关问题进行探索和研究。1 底部框剪多层砌体房屋的受力特点底部框剪多层砌体房屋由钢筋混凝土框架抗震墙和上部砌体结构两种承重和抗侧力体系构成,底部刚度小于上部,是一种
3、上刚下柔结构。地震作用是一种惯性力 ,由于底部框剪多层砌体房屋层数较少,通常仅考虑其水平地震作用 ,因此结构这种 “头重脚轻”的质量分布特征、及上刚下柔的刚度分布特点对房屋的抗震是不利的。研究表明,这种结构有两个较为薄弱的可能部位:一个是竖向刚度发生突变的第二层 ,此部位因变形超过极限容许变形值而发生破坏;另一个是底层,此部位由于承受较大的竖向荷载和地震作用 ,框架柱一般可能沿斜截面出现剪切开裂,发生脆性破坏,特别是 P- 效应更可能使破坏加剧。因此 ,在结构设计上要有针对性在底部两层合理地设置抗震墙,以增强底部的抗侧移刚度是至关重要的。抗震设计分为概念设计和计算设计。在底部框剪多层砌体房屋的
4、设计中应结合此类房屋的受力特点在概念设计、地震作用分析计算、构造措施等多个方面综合考虑,才能获得良好的房屋抗震效果。2 概念设计中的关键问题概念设计通过正确地解决总体方案、材料使用和细部构造,以达到合理抗震设计的目的。实践证明,由于地震及地震效应的不确定性和复杂性 ,以及计算模型和实际情况的差异 ,不能仅依赖计算设计,结构抗震性能的决定因素首先取决于良好的概念设计。对于底部框剪多层砌体房屋,进行概念设计和构造设计时 ,应特别注意以下问题 :2.1 规则均匀的原则 建筑的平、立面布置规则, 对称,质量和刚度变化均匀避免楼层错层 ,楼层的高度应满足表 1 中的限值。为了避免薄弱底层因过度的变形(或
5、应变)集中而发生严重破坏或倒塌,底层不宜采用纯框架结构 ,应该结合底层的平面布置 ,沿房屋的纵向和横向,对称、均匀地布置一定数量的抗震墙,使第二层与底层的纵、横向侧移刚度比, 均不大于 3。2.2 传力简单明确 简单抗震结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径,应具备必要的承载能力、良好的变形能力和耗能能力,宜综合考虑结构体系的实际刚度和强度分布,避免因局部削弱或突变而形成薄弱部位 ,避免产生过大的应力集中或塑性变形集中。2.3 多道抗震设防 设置多道防线, 避免因部分结构或构件失效而导致整个体系丧失抗震能力或丧失对重力的承载能力;框架的抗侧移刚度远小于抗震墙的侧移刚度, 因此在底
6、部设置的抗震墙是第一道抗震防线,框架则作为第二道抗震防线, 这样组成双重抗震防线。底部应采用全框架形式,沿纵、横两个方向对称布置一定数量的抗震墙, 抗震墙宜布置在外围或靠近外墙处,以获得最大抗扭刚度。抗震墙的距离要符合新规范的规定, 即 6 度时小于等于 21m,7 度时小于等于 18m,8 度时小于等于 15m,以满足楼盖对传递水平地震力所需的刚度要求,嵌砌于框架之中的配筋砌块砌体墙具有较强的抗震能力。2.4 抗震结构构件应力求避免脆性破坏。对砌体结构宜采用钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱、配筋砌体或钢筋混凝土和砌体组合柱;对钢筋混凝土构件, 应通过合理的截面选择、配筋和构造措施,避免剪切破坏先
7、于弯曲破坏、混凝土受压破坏先于钢筋屈服、钢筋锚固破坏先于构件破坏。3 计算设计中的两个关键3.1 水平地震剪力计算 计算底部框剪多层砌体房屋的地震剪力时,当高度小于 40m 时,采用底部剪力法计算水平地震作用力,房屋高度超过 40m 时 ,采用振型分解法计算水平地震作用力。对底部纵向和横向地震剪力设计值,需根据侧移刚度比值的大小乘以 1.21.5 的增大系数。在房屋极限承载能力的计算时, 底部框架抗震墙的抗震等级按设防烈度确定,6,7,8 度时分别按三、二、一级采用。3.2 侧移刚度比 底部框架抗震墙的侧移刚度小于上部砌体部分的侧移刚度,才能保证这种房屋结构的薄弱层不致向上部转移,从而充分利用底部框架抗震墙的耗能作用。参考已有的研究成果,在设计计算中应注意做到底层与底部第二层侧移刚度应接近; 第三层与第二层侧移刚度比,6,7 度时不应大于 2.0,8 度时不应大于 1.5,且均不小于 1.0。4 结语底部框剪多层砌体房屋在结构体系上具有头重脚轻、上刚下柔的质量和刚度分布特点。文中的分析表明,在底部框剪多层砌体房屋抗震设计中 ,应保证结构规则均匀、传力途径简单明确、设置多道可靠的抗震防线。抗震计算分析要选择合理的分析计算方法,同时注意侧移刚度比对结构抗震的影响。文中对以上问题均作了较详细的分析,同时建议了部分参数的取值,这些可为工程实践提供必要的参考。
