某两层底框结构的抗震设计1.doc

某两层底框综合楼抗震设计中的侧向刚度控制饶卫东(中国铝业公司河南分公司工程公司)摘 要 本文通过对某横向单跨，长宽比较大的底层两层框架综合楼的设计过程的介绍，说明对该类工程的过渡层与下层框架横向侧向刚度比要满足规范的要求，设计中可通过横向抗震墙加柱减少其长度、抗震墙开洞等措施来保证，同时最好于过渡层（即第三层）适当增加横向抗震墙，有利于横向侧向刚度比的控制。对于柱网较大及长宽比较大的建筑物的过渡层楼板厚度也不能简单确定。对于结构本身应采取更严密的构造措施，确保结构的抗震安全。关键词 两层底框 抗震墙 概念设计 侧向刚度比 过渡层 变形协调 底层框架砌体房屋指底部一层或两层为空间较大的框架-抗震墙、上部为多层砌体房屋，其中，根据房屋的设防烈度和层数的不同，底部抗震墙可以相应的选用砌体墙（包括烧结普通粘土砖、烧结多孔粘土砖、混凝土小型空心砌块砌体等）、钢筋混凝土墙或两者兼用。这种结构房屋是我国现阶段经济条件下特有的一种结构。具有比全框架结构经济（相同的使用功能）和施工简单的优点，适用于临街建筑底层商店等大空间的建筑物。由于砌体是一种脆性材料，其抗拉、抗弯、抗剪强度均很低，因而未经过合理抗震设计的底部框架剪力墙砌体结构的抗震能力和抗震性能均比较差。大量试验研究及历次的地震震害表明，底层框架砖房在地震时，底层将发生变形集中，出现过大的侧移而严重破坏，甚至倒塌。多年来，全国各地对底层两层框架剪力墙结构进行了多项试验，虽然目前我国的经济状况已有好转,但对欠发达地区，底框结构经济优势明显，所以我国建筑抗震设计规范GB50011-2001（以下简称规范）中仍然保留了底框结构，但放宽了89规范中的高度限制，当采取相应的措施后底部框架可有两层。但总体仍需保持谨慎的态度。规范中主要采取以下加强措施，确保底框结构的抗震安全。1）严格控制底层框架和上部砌体结构的侧向刚度比。过渡层和下层框架侧向刚度比6、7度不大于2.5，8度时不大于2.0，同时不应小于1.0，底部两层框架时，两层框架的的侧向刚度应互相接近，同时三层砌体结构和二层框架的侧向刚度比6、7度不大于2.0，8度是不大于1.5，且均不小于1。2）合理布置上、下楼层的墙体，首先应尽量使上层承重墙体落在下层框架上，若有困难时，可以部分落在框架次梁上，但数量不能过多，以利于荷载传递。3）加强托墙梁和过渡层的墙体。承托上层砌体墙的托墙梁由于所受的荷载比较集中，在静力作用下可以考虑为墙梁的作用，使墙梁荷载由于内拱的作用而有所分散。但是，在地震作用下，尤其是抗震设防原则允许墙体裂而不倒，因此，对其墙梁作用的程度和荷载的大小，在计算上可有不同的假设。但是应当充分考虑地震作用时的不利情况。4）提高底部框架及抗震墙的抗震等级。对底部抗震墙，一般要求采用钢筋混凝土墙，缩小了6、7度时采用砖抗震墙的范围。并规定底层砖抗震墙的专门构造要求。虽然规范对底部框架结构房屋给出了明确规定，并从抗震设计基本要求、抗震计算要点和抗震构造措施方面提出了设计规定、原则和方法，但关于底部两层框剪砌体房屋的分析与设计计算方法还基本上是底层框剪砌体房屋的沿用。实际上，底部两层框架和底部一层框架的区别在于前者变形为弯剪型，而后者为剪弯型，因此后者应按框架与中高抗震墙协同工作的方法进行水平地震作用下的内力计算，如仍按照各抗侧力构件有效侧向刚度比例确定框架柱承担的地震剪力，则有可能使第二层柱因计算内力偏小导致配筋不足，造成很大的安全隐患。所以对于底部两层框架砌体结构尚应从“概念设计”上充分考虑，保证结构的抗震安全。一、工程简介：某四层综合楼，横向一跨，跨距7000，纵向129600，开间尺寸3600，跨距7200，由于临街，甲方要求下部两层为商场。该建筑层高均为3600，檐口标高14.400m，中部为甲方单位12000宽大门，大门占据底部两层空间，上部两层均为120008000的会议室。二层以上北侧挑出1800，所在地区为7度（0.01g）区，场地土类别为III类，抗震设计地震分组为第一组。二、设计方案：该建筑物体形较长，设计时由于中部大门纵向跨度太大，将该部位按照全框架结构设计。大门两侧设伸缩缝，基础不断开，从而上部结构设计时分成了三个单独的部分。即两侧为基本对称的下部两层底框的砌体结构，中间为全框架结构。本文仅针对该建筑物底部两层框架结构的设计进行详细的说明。由于底层框架部分和上部砌体结构部分各自楼层平面几乎相同，现仅给出该建筑物西段二、四层平面图，图中北侧临街（下方为北），详见图一。三、结构分析： 底层两层框架的砌体结构有两个可能较为薄弱的部位：一个是竖向刚度发生突变的第二层，此部位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。该建筑物的体形尺寸均在规范规定的限制之内，但横向尺寸较窄，高宽比为1.8，框架本身横向侧向刚度比较低，纵向框架虽采用两开间跨度，柱仍然比较多，侧向刚度相对较大。设计纵、横向抗震墙时应保证三、二层侧向刚度比满足规范要求应分别对待，并尽量使该值位于1.5左右，同时应充分考虑底部框架部分纵横向侧向刚度的影响以及框架填充墙的作用问题。设计时如能使框剪层的抗弯承载力能略低于砖砌体过渡层的抗剪承载力，使底部框剪层先于上部砖砌体层破坏，将更有利于整个结构的抗震。设计时注意上部砖砌体层的水平地震作用对底部框剪层的倾覆力矩较大，且底层楼板处由上部倾覆力矩和底层水平剪力产生的弯曲转角将引起第二层以上发生刚性转动，抗震计算时应予以考虑。慎重考虑第三层过渡层的抗震构造措施。四、主要设计过程：1） 抗震墙的布置：根据本工程的结构特点，同时满足建筑功能要求的前提下，决定采用钢筋混凝土抗震墙。 横向抗震墙的间距按照规范要求，不超过18米设一道钢筋混凝土抗震墙。抗震墙的厚度不宜小于160，并且不应小于墙板高度的1/20，所以根据本工程确定抗震墙厚度为200。由于考虑到本工程柱网横向跨距较大，且仅有一跨，如果全跨均设成抗震墙，则二层侧向刚度增加较大，从而使上下侧向刚度比小于1，同时不利于抗震墙计算的调整，所以在设置横向抗震墙的跨度增加一根小柱。这样做的优点是可以比较方便的通过调整抗震墙的长度来控制该层的侧向刚度。具体详见图二。该建筑物纵向抗震墙的设置是由建筑的使用功能要求来控制的。经过试算，以图二的设置方法设置方能在满足建筑要求的前提下，满足结构的要求。2） 楼层的侧向刚度比计算：根据规范要求：其中砖砌体层的总弹性侧向刚度为：式中 -层间墙体的净高度； -剪应力分布不均匀系数，对矩形截面取1.2； -在弹性阶段第i根构造柱的抗剪参与系数，对边柱、中边柱、中柱分别取0.12、0.18、0.24； -第j道带构造柱砖墙的换算截面惯性矩，即将构造柱面积换算为砖墙砌体面积，以换算后的砖砌体截面形状计算的截面惯性矩； 、-砖砌体和构造柱混凝土的弹性模量； 、-砖砌体和构造柱混凝土的剪变模量，取；=0.4，=0.4； 、-第i根构造柱和第j道砖墙（扣除洞口和构造柱截面后）的截面面积。框剪层的总弹性侧向刚度为：，其中框剪层全部混凝土抗震墙的总弹性侧向刚度为：框剪层全部砖抗震墙的总弹性侧向刚度为：假定框架梁为刚体(也可严格按照D值法计算)，则框剪层全部框架的总弹性侧向刚度为：式中 -层间抗震墙和框架柱的净高度； -剪应力分布不均匀系数，对矩形截面取1.2，工字型截面取，、分别为抗震墙截面的总面积和腹板截面面积； -第i根框架柱的截面惯性矩； 、-砖抗震墙和混凝土抗震墙的弹性模量； 、-砖抗震墙和混凝土抗震墙的剪变模量，取；=0.4，=0.4； 、-第k道混凝土抗震墙（包括边框柱）的截面面积和惯性矩； 、-第j道砖抗震墙（不包括边框柱）的截面面积和惯性矩； -框架与混凝土抗震墙协同工作系数，对底层混凝土墙取=0，对第二层混凝土墙，式中 -结构刚度特征值，H1、H2分别为第一、二层的层高； -第一层框架柱的总剪切刚度；-总抗震墙的等效弯曲刚度，；-第一层层高与底部两层总高度的比值，在0.50.6范围内变化；-与框架柱侧向刚度比有关的系数，Kf1、Kf2分别为第一、二层框架的总侧向刚度，在0.51.0范围内变化；-抗震墙的剪切变形系数，。本建筑物结构计算用中国建筑科学院SATWE软件建模计算二层的抗震计算。抗震墙截面见图三。该建筑物采用Mu10烧结粘土空心砖P型、M10混合砂浆砌筑，框架部分混凝土均为C30级，剪力墙及框架抗震等级均为二级。计算结果见图四。由计算结果可见，对于长宽比较大，三层开间尺寸较大，二层横向跨数少的底部二层框架砌体结构的纵向侧向刚度(K0)的控制相对比较简单，可调整余地较大；横向侧向刚度比(K90)的控制比较困难，减少抗震墙，则不能满足规范的抗震墙间距要求，减小抗震墙的长度，造成梁的长度过短，对抗震不利，稍微不注意侧向刚度比就会小于1，设计时主要应提高三层横向侧向刚度。3） 砌体过渡层与相临框剪层之间楼板厚度的确定；要保证上下层地震剪力和倾覆力矩的传递和重新分配，保证楼盖处的侧向变形协调，转换层楼板必须具有足够的水平刚度，应采取一定厚度的现浇或装配式钢筋混凝土板，尤其是底层柱网较大、房屋的长宽比较大时更应如此。转换层之间楼板厚度的确定：式中 -混凝土轴心抗压强度设计值； S-抗震横墙的最大间距； n-房屋总层数； -水平地震剪力增大系数，对于三、二层侧向刚度比，当1.21.4时取=1.2，1.41.6时取=1.3，1.62.0时取=1.4； -水平地震影响系数最大值。该建筑物所在地区取值为0.08。按照该公式计算：m所以楼板厚度应按照规范要求取120厚即可。五、结论：根据计算表明，横向单跨的底部两层框剪的砌体结构，加上框架部分柱网间距比较大，框架部分构件的截面尺寸较大，框架及抗震墙协同工作的影响也比较大。在按照规范要求布置抗震墙时，很容易造成上下横向侧向刚度比小于1，从而把结构抗震的薄弱环节从二层转移到三层，是设计中应该严格杜绝的。一、二层横向抗震墙的布置可采用抗震墙开洞，加柱减小抗震墙长度等方法，减小抗震墙厚度有时可能会带来抗震墙承载力不足的问题，设计时可根据建筑物的使用功能要求灵活运用。如果能在三层增加少量抗震墙，或者能采取其它措施提高三层的横向侧向刚度，是最令人满意的结果，另外对三层过渡楼板设计应慎重对待。在三层构造设计上，除按照规范要求的措施设计外，在三层层高中间地带，可加设一道钢筋混凝土带。对本文中楼层比较少的建筑物也不能轻视，还要在三层多加构造柱，特别是横墙的中部，均布置上构造柱。如此才能使单跨底部两层框剪砌体结构的抗震性能足够安全。参考文献：1. 建筑抗震设计规范(GB50011-2001)2. 建筑抗震设计 龚思礼等 编著. 中国建筑工业出版社 1994.3. 多层砖房抗震设计及工程实例选编 王广军 编 地震出版社 1992.4. 底部框剪砌体房屋抗震分析与设计 郑山锁、薛建阳编著 中