底部框架结构震害与设计要点

底部框架结构震害分析与设计要点Theseismicdamageanalysisandthedesignkeypointsofthebottomoftheframestructure摘要：基于对汶川地震中底部框架结构的破坏情况与分析，得出底部框架结构破坏特征。由此次震害分析，从底部框架抗震墙设计、过渡层设计出发，提出设计要点和抗震设计中的几个注意问题。Summary:Basedonstructuraldamageatthebottomoftheframeinthewenchuanearthquakeandanalysis,concludedthatthebottomframestructuredamagecharacteristics.Bytheseismicdamageanalysis,design,transitionlayerfromthebottomoftheframeaseismicwalldesign,putforwardthedesignkeypointsandsomenoticeableproblemsinseismicdesign.关键词：汶川地震底部框架结构震害调查与分析抗震设计Keywords:Thewenchuanearthquake,Thebottomframestructure,Earthquakedamageinvestigationandanalysis,Seismicdesign1概述随着国民经济快速发展，在大量农村城镇化及乡镇城市化过程中，由于使用功能的需要，大量兴建底部框架—抗震墙砌体房，底部框架—抗震墙砌体房是指底部一层或两层为空间较大的框架—剪力墙、上部为多层砌体房屋。这种混合承重的房屋在我国的临街建筑和住宅区带商店或车库的建筑中使用较多。虽然这类建筑性价比较高,但其上部墙体较多却会使底层框架层刚度相对偏小,形成“底柔上刚,头重脚轻”的结构体系。这种结构，从抗震角度来看不太有利，但是为现阶段进行的新农村建设节约大量相对短缺的建设资金，具有一定的现实意义。本文就汶川地震为例，通过对地震中底部框架结构的震害调查分析，提出结构设计要点。2汶川地震中底部框架结构震害调查与分析2.1调查结果概述调查结果表明,底层框架结构房屋震害主要集中于底层梁、柱及节点,并且柱的震害远大于梁,柱顶震害大于柱底,角柱震害大于内柱和边柱。由于上部无筋砌体结构抗震性能较差,再加上越靠近底层框架墙体所需承受的水平地震作用越大,故底层框架上方的过渡层墙体比较容易在地震中发生剪切破坏。调查组从5月17日起至7月22日相继对绵阳市区、北川县城和西科大及周边三地的底层框架房屋(部分为底部二层框架结构)进行了现场调查,总体情况如前页表1。2.2底框结构房屋破坏的典型特征1.墙体的破坏（1）墙角处的破坏。砌体阳角破坏，两片墙体裂缝均贯穿墙体，且越靠近底层裂缝宽度越大，越靠近顶层裂缝宽度越小。（2）窗间墙及洞口处墙体的破环。破坏的一般形式为X型裂缝、和45°单缝。愈靠近底层破坏愈严重，愈靠近顶层破坏愈小，顶层窗间墙几乎没有破坏（图1）。（3）底层填充墙的破坏。其破坏形式大多为局部或整片倒塌、一片墙体与梁和柱连接处整体产生水平或竖直的裂缝。（4）抗震墙的破坏。地震中抗震墙发生破坏很少，尤其是钢筋混凝土的剪力墙几乎没有一点损害，只有老式的砖结构抗震墙才受到了破坏。2.梁的破坏梁的破坏形式一般为梁与柱交接处发生破坏,其中梁的破坏比较轻，柱的破坏比较重;梁中部产生垂直于梁方向的竖直裂缝，裂缝贯穿整个梁，且底部混凝土局部被拉碎；梁产生弯曲变形破坏等。3.柱的破坏柱的破坏形式一般为：柱与梁连接处发生破坏，且柱的破坏比梁的破坏严重，基本上破坏都发生在柱子的上端——柱顶混凝土块被压碎、脱落、暴筋、钢筋发生弯曲、扭曲等严重变形；震害较为严重的底框结构柱子直接发生倾斜、断裂、底层整体倒塌等。4.楼梯的破坏楼梯的破坏形式大致都为每一跑的楼梯中间位置出现裂缝，裂缝基本上都垂直于板底面，裂缝贯穿楼梯板厚，越靠近底层破坏现象越明显。2.3震害分析1.刚度比不符合要求如果底框砖房的底层刚度比上层小得多,由于刚度的急剧变化,会使得结构在刚柔交接处应力高度集中,在柱端产生塑性铰,并使房屋的变形集中在相对薄弱的底层.在设计中应避免这种薄弱层.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）规定：底层框架-抗震墙房屋的纵横两个方向，第二层与底层侧向刚度的比值，6度、7度时不应大于2.5，8度时不应大于2.0，且均不应小于1.0。此次汶川大地震中破较严重的底框砌体结构房屋在刚度比的举例分析如下：（1）图2中底框结构房屋房角A处只有一根框架角柱，其纵横向均未设置抗震墙，地震中其破坏较轻；而另一房角B处横向布置有砖砌体抗震墙，地震中它却被严重破坏。底层各构件所受地震剪力按刚度分配。所以，A处所受地震剪力较小，其破坏相应较轻；而B处所受地震剪力较大，其破坏也就相应严重，还有就是B处仅在横向布置有抗震墙，纵向没有，从而导致柱顶沿纵向产生剪切破坏。（2）底框结构房屋中上层砌体与底层框架刚度比过大造成底层框架在地震中整体失稳。2.墙体的破坏原因根据调查报告显示，过渡层的墙体破坏尤为典型在此重点分析过渡层（以底部剪力法为依据分析）。（1）砌体材料自重较大，因此承受的地震力也相应较大。（2）砌体材料抗压性能好，但是属于脆性材料，抗拉抗剪强度差，延性差，抗变形能力小，且砌体的破坏大多属于剪切破坏。（3）砌体结构在施工时，砌体间有较多的空隙，砂浆不饱满或接槎处理不好，都会影响整体性能，使砌体结构在荷载不大时就会产生裂缝，造成砌体抗震性能弱。（4）作用于结构每层的地震剪力是该层以上的所有地震作用力之和。因此，砌体所受竖向荷载和地震荷载越到下层越大，在质量分布不均匀，刚度分布不均匀，材料分布不均匀的情况下，破坏从最底层砌体开始，最底层砌体裂缝不断发展向上层蔓延。承重横墙在地震作用下出现与水平线呈45°的贯通单向斜裂缝或交叉斜裂缝，且主要沿灰缝呈阶梯型开展，当地震往复作用时，墙体沿裂缝滑移、错位、剥落，最终丧失对竖向荷载的全部承载力。因此在承重墙两端设置钢筋混凝土构造柱，以约束碎裂的墙体不致散落，还能保持墙体对竖向荷载的一定承载能力。3.底框中梁和柱的破坏原因柱和梁的破坏主要集中在梁柱节点处。由于房屋不可避免的发生扭转，角柱所受的附加剪力最大，角柱受双向弯曲作用，所受的约束比其他柱小；短柱的刚度增大，所受的地震剪力大，易发生剪切破坏，严重时发生脆性错断；由于在施工时梁和楼板整体现浇，且为了保证板的刚度无穷大，梁的高度就设置的很大，因此梁只有在节点处有轻微破坏。总的情况是柱的震害大于梁，柱顶震害大于柱底，角柱震害大于内柱和边柱，短柱震害大于一般柱。4.梯的破坏原因楼梯的计算简图如下，两端铰支，这与假设的楼板刚度无限大矛盾，因为楼板刚度无限大，楼梯两端应为刚接；但是楼梯在地震中的破坏形式表明：楼梯的计算简图两端铰支时更为与实际相符合。因此，楼梯在跨中所受弯矩最大，容易产生弯曲裂缝，产生弯曲破坏，即现象为在楼梯中部产生裂缝，且裂缝垂直于板。但是另外一种现象为裂缝沿踏步开展，这是因为楼梯在踏步处截面较小，容易产生应力集中，从而产生弯曲破坏。2.4总结1底层框架的震害主要集中在梁柱节点处，总体情况为柱的震害大于梁，柱顶震害大于柱底，角柱震害大于内柱。这主要是由于房屋不可避免地要发生扭转，角柱所受的附加剪力最大，角柱受双向弯矩作用，所受的约束比其他柱小；短柱震害大于一般柱，短柱刚度较大，所受的地震剪力大，易发生剪切破坏，严重时发生脆性错断，而导致灾难性的后果。2底层框架由于侧移刚度小，地震时水平位移较大，过大的水平位移使结构偏-已,JJn剧，此时竖向荷载使结构产生较大的附加内力，出现P一△效应，严重时使结构发生倒塌。3房屋的竖向荷载和地震荷载都是越到下层越大，由于底层框架多层砌体结构上部重量大，底层较柔，是头重脚轻的典型结构形式，结构平面布置刚度和质量如不对称，也使底层框架产生较大的侧移变形，使底层柔性框架易于遭受扭曲破坏。4震区中的房屋结构体形与平面布置多样化、复杂化，使结构的刚度中心与质量重心不易重合，加剧刚性部分和柔性部分之间产生较大的水平力差异，产生大的位移变形，并在它们之间出现附加弯矩与剪力，产生扭转力矩。5后砌体的连接。后砌的非承重砌体隔墙，应沿墙高每隔500mm设2帖拉结钢筋与承重墙连接，每边伸入墙内不小于0．5m，8度和9度时，长度大于5．1m的后砌墙顶应与楼、屋面板或梁连接。6阳台栏板的连接。砖砌栏板应配水平钢筋，且压顶卧梁应与混凝土芯柱相连，压顶卧梁钢筋应锚入房屋主体构造柱。7构造柱底端连接。构造柱可不单独设基础(承重构造柱除外)，但应伸入室外地面下500ITlm或锚入室外地面下不小于300m的地圈梁。8悬臂构件的连接。6度～8度时，240mm厚无锚固女儿墙(非出入口处)的高度不宜超过0．5m，当超过时女儿墙应按抗震构造图集要求采取稳定措施。女儿墙的计算高度可从屋盖的圈梁顶面算起，当屋面板周边与女儿墙有钢筋拉结时，计算高度可从板面算起；悬臂阳台挑梁的最大外挑长度不宜小于1．8m，不应大于2mo另外，不应采用墙中悬挑式踏步或竖肋插入墙体的楼梯。3底部框架结构设计要点3.1结构抗震设计的要求底部框架抗震墙砖房具有上刚下柔，上重下轻的特点，房屋的震害程度与房屋的平面布置和上下墙体的相对位置，以及上下层的层间侧移刚度比等密切相关。1“强柱弱梁”原则底部框架抗震墙砖房设计遵循的基本原则就是：“强柱弱梁”、“强节点弱构件”，目的是使框架结构在强烈地震作用下,塑性铰先出现在梁端，后出现在柱端。如果框架的任一柱端先出现塑性铰，可能会引起同一层其它柱端相继出现塑性铰，房屋因此而倒塌。但是底层框架梁因为要承担竖向荷载引起的较大弯矩，截面较大，因而在截面抗弯强度的计算上满足“强柱弱梁”的要求很困难,所以在构造上特别是箍筋的配置上应尽量实现“强柱弱梁”的设计原则。2结构平面均匀性、整体性建筑平面布置应简洁、规则、对称，并尽可能减少上部砖房单元形式。上部砖房纵横墙均匀对称布置，沿平面内宜对齐，同一轴线的窗间墙宽度宜均匀。下部框架抗震墙结构，则要求柱网对应上部砖房布设，尽可能使较多墙体落于柱网上。尽可能的将抗震墙对称分散布置，使纵横向抗震墙相连，纵向抗震墙应布置在外纵轴线，增强抗倾覆能力，避免出现低矮抗震墙(高宽比小于1)，使层间刚度比使得结构的刚度中心与质量中心重合，减少地震作用下结构产生的扭转效应。3结构立面的均匀性、连续性底部框架抗震墙砖房结构的显著特点就是“上重下轻”。为尽可能降低结构重心，应严格控制房屋层数和总高，根据《建筑抗震设计规范》（GN50011－2001），底部结构层高不应超过4.5m。上部砖房各层建筑功能保持一致，墙体竖向应对称连续。对于出屋面的楼梯间,水箱间由于刚度突变,地震时容易引起鞭稍效应，所以要尽可能地降低层高。只有建筑设计做到竖向规则连续才能保证竖向强度和刚度的均匀性，避免上部砖房出现薄弱层，减少应力集中和变形集中。3.2抗震墙砖房的抗震设计1底层框架抗震墙的设计目前，底层框架抗震墙砖房的底层设计归纳起来存在以下三方面的问题：底层为大商场等有大空间使用要求时，底层抗震墙(一般为砖墙)设置得很少，其底层的侧移刚度比纵横墙较多的第二层小得多。这种结构由于其地震倾覆力矩主要由钢筋砼框架柱承担，使得底层钢筋砼框架柱的承载能力大为降低，底层成为较薄弱的楼层；在强烈地震作用下底层成为弹塑性变形和破坏集中的楼层，危及整个房屋的安全。要解决以上问题，首先，建筑平面布置时，应考虑在适当部位布置一些墙体。其次，采用钢筋砼抗震墙来代替砖抗震墙，一片相同厚度、高度和长度砼墙的抗侧刚度是砖墙的好几倍，既可减少墙面数又能保证底层的侧移刚度。2过渡层的设计抗震墙砖房的二层称为过渡层。此层担负着传递上部的地震剪力和上部各层地震力对底层楼盖的倾覆力矩引起楼层转角对第二层层间位移的增大，因而此层受力复杂，也显得非常重要。对于底部框架抗震墙砖房，当底层按抗震规范要求设置一定数量的抗震墙后，房屋底部的侧向刚度和水平承载力有较大提高；此时如果忽略过渡层墙体的侧向刚度和水平承载力的降低，可能使房屋的过渡层成为薄弱层；由于过渡层砖砌体的变形能力较底层相对较差，因而将降低这种房屋的抗震性能。为避免上述情况发生，应加强过渡层墙体的抗震构造措施。以增加上部砌体结构与底部钢筋砼框架抗震墙结构的连接和整体性，避免由于房屋上部及底部材质不同，结构的自振频率不完全一致，在地震作用下因上、下部连接不强而在二层楼面处形成脱接。3底部框架结构抗震设计中应注意的问题（1）注重概念设计选择对抗震有利的建筑场地，简化建筑体型，讲究规则对称，质量和刚度变化均匀，抗震结构体系合理、明确等是确保抗震设计合理的基本设计内容。同时抗震设计应满足“小震”不坏“，中震”可修和“大震”不倒的设防目标。底部框墙结构的柱网不宜过大，一般控制在7.5m左右，并且框架梁上悬墙数目不应超过一道。首先从使用功能上，底框结构大多为商住楼，该跨度对应上部可分割为两开间，无论上部为住宅楼，还是办公楼，开间尺寸都必须以满足砌体结构所能实现的功能。（2）严格控制侧移刚度比现行抗震规范对底层框架砖房第二层与底层的侧移刚度比不仅会影响地震作用下的层间弹性位移，而且对层间极限剪力系数分布、薄弱楼层的位置和薄弱楼层的弹塑性变形集中都有很