对小城镇中底框结构设计的理解

单春明,盛寿钢

(1.江苏省盐城建筑工程学校,江苏盐城 224006;

2.江苏省盐城同济建筑市政设计院有限公司,江苏盐城 224006)

在小城镇建设中,许多临街的住宅建筑往往是需要在底部设置一层或两层较大空间的商店、饭店等,建筑的上面几层为纵横墙较多的砌体承重结构,底部则采用框架及抗震墙而形成了底部框架-抗震墙结构,因其在使用上的方便性和灵活性及造价较纯框架结构低而被广泛采用。

1 选择合理的结构形式

商住多层建筑近年来在中、小城市中很常见,即将一层作门市,然后在其上建造住宅的建筑。此种结构形式实际计算属下柔上刚,对抗震极为不利,如果不加抗震墙,做成底层纯框架而上部砖混的结构,在地震区将存在一些问题。如果其设计思路仍然沿用非地震区的设计思路,如遇地震灾害,则大底盘建筑因结构上未设防或设防不当,其后果将变得非常严重。对于地震区需要抗震设防的多层商住建筑,底层为钢筋混凝土框架的大空间商店,上部为小开间砖房或砌块建筑。结构设计中需作纵横两方面的抗震验算(包括承载力和变形),有的仅作了横向底层框架的验算,而纵向却按一般连续梁计算。在构造上,有些设计忽视了在底层纵横方向设置一定数量的抗震墙,或只有横向抗震墙,使整幢建筑上刚下柔,或横刚纵柔;地震作用下即容易产生较大的弹塑性变形。如果框架柱箍筋间距太大,特别是在柱上、下端箍筋没有按规范要求进行加密时,其破坏就更加严重。再加上门市在使用上的要求,框架梁的跨度及荷载都较大,使得梁的截面尺寸较大,而中间柱高度相对较高,从而使得梁的刚度较大,而按《建筑设计抗震规范》(G B50011-2001)要求,抗震结构体系中的混凝土构件,应避免剪切先于弯曲破坏,混凝土的压溃先于钢筋屈服,钢筋锚固粘结先于构件破坏,因此违背了“强剪弱弯、强柱弱梁和强节点”的设计准则。

框架结构由现浇钢筋混凝土框架梁、柱和板组成的结构支架,主要是梁和柱子起到承重作用,而墙体仅作填充隔断,不受力,所以房间的布置灵活,门窗都可以大小,形状自由,多用于 7度以上抗震结构和大空间结构。框剪结构是用框架承重、用剪力墙抗御侧向力(地震、风力等)。砖混结构是混合结构的一种,是采用砖墙来承重,钢筋混凝土梁柱板等构件构成的混合结构体系,适合开间进深较小,房间面积小,多层或低层的建筑。在相互比较上,框剪结构无论从抗震、稳定性、房屋坚韧性等都优于砖混结构。在防震中,框架和剪力墙成为房屋的“两道防线”,增加了结构体系的刚度和强度,是个柔性结构。而砖混中砌体自重大,使砌体结构所承受的地震力也相对的增大,而且是由脆性材料组成,抗拉抗剪强度较差,延性差,抗变形能力小,砌体结构施工质量又难控制,很容易对结构破坏,是个刚性结构。框架的造价比砖混要高些。框架与砖混结构混建,由于二者变形能力不同,框架的地震力会传给砌体,加重砌体的破坏。砖混结构的优点就是造价便宜,适合多层和低层的房屋,但现在其实很多多层或低层,包括两三层的别墅都用上框架剪力结构了,更说明了人们重视生命安全的房屋承重结构体系,框剪体现了它的优点。

2 重视底框结构设计中的概念设计

底框结构具有“头重脚轻”、上刚下柔的特点,为保证实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震原则,《建筑设计抗震规范》对底框结构底部框架层与上层刚度比做出了明确规定,其中底层框架,第二层与底层侧向刚度比,6、7度时不应大于 2.5,8度不应大于 1.5,且均不应小于 1。底框结构设计中要注意做到这一点,有时需要反复计算,多次与建筑专业协调,结构设计中需要注意的问题:

2.1 建筑布置合理性

《抗规》第 3.4.2条明确规定“建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变”。但在实际工作中,建筑布置的合理性往往被忽视。目前的一些建筑设计,由于仍沿袭不设防时的设计思路,将抗震基本要求搁置一边,为片面追求建筑效果,将底层框架房屋平面上多处凹进凸出,导致各部分质量极不均匀,建筑物外纵墙多处被人为割断,严重影响抗震刚度。此外,在立面上又设置了许多不利于抗震的装饰物,如某公寓女儿墙竟高达 3m以上。如果上述问题解决得不好,抗震设防问题就会越积越多,一旦发生大地震,代价将会十分惨重。

2.2 合理设置抗震墙

结构设计人员要及早介入建筑方案与初步设计,并和建筑工种与建设单位反复协商,在不影响或少影响功能的前提下,使纵横外墙、室内分隔墙等尽量对称,并均匀地在纵横两个方向设置一定数量的抗震墙,使上层与底层的纵横向侧移刚度比,能够满足规范要求。根据《砌体结构设计规范》(G B 50003-2001)条文说明,底层设置一定数量抗震墙的框支墙梁房屋模型振动台试验表明,其抗震性能不仅不比同样层数的多层房屋低,甚至还要好些。所以,在底框结构中合理设置一些抗震墙是非常重要的。

2.3 合理确定抗震墙轴线

为提高其抗震能力,《建筑抗震设计规范》中第 7.1.8条1款要求,上部砌体抗震墙与底部的框架梁或抗震墙的轴线对齐或基本对齐,即大部分砌体抗震墙由下部的框架主梁或钢筋混凝土抗震墙支承,每单元砌体抗震墙最多有二道不落在框架主梁或钢筋混凝土抗震墙上,而是由次梁支托上部抗震墙。托墙的次梁应按第 3.4.3条考虑地震作用的计算和内力调整。建议尽量采用上部结构减少抗震墙数量的方案,即在无法对齐处设置次梁支承非抗震隔墙以避免次梁托抗震墙的方法。

2.4 仔细理解规范的要求

上面几层砌体结构,由于开间小、横墙多,不仅重量大,侧移刚度也大,而底层框架侧移刚度比上层小得多。刚度的急剧变化使得在结构刚柔交接处,应力高度集中,在柱端产生塑性铰,并使房屋的变形集中发生在相对薄弱的底层。这种比较薄弱的底层或中间层,可称之为“软层”,对于这种“软层”在抗震设计中应引起足够重视。

2.5 严格控制侧移刚度比

底部框架-抗震墙房屋为了保证结构的安全,严格控制底层框架和上部砌体结构的侧移刚度比,以免地震时底层框架部分的结构先于上部砌体部分破坏或破坏转移至过渡层。若上部砌体部分采用多孔砖,侧移刚度比的要求无变化,仍按抗震规范第 7.1.8条的要求执行。

2.6 满足承载力计算要求

底部框架-抗震墙房屋进行设计时,所布置的抗震墙既要满足侧移刚度比限值的要求,又要满足承载力计算的要求。经常遇到承载力验算不满足,增加抗震墙的数量或厚度,满足了承载力验算的要求,但侧移刚度比限值又不满足了的问题,解决的办法主要是设置结构洞口,即采用在钢筋混凝土抗震墙上设置洞口并采用轻质砌块材料填实的方法,将抗震墙的刚度降低,在满足承载力验算的要求的同时符合侧移刚度比限值的要求。

2.7 合理调整计算系数

国家标准《砌体结构设计规范》(G B50003-2001)中考虑了墙梁组合作用,底部框架 -抗震墙砌体结构的钢筋混凝土托墙梁是否可以考虑共同作用对地震作用进行折减?从试验室的试验和有限元分析的结果看,墙梁组合的作用十分明显,但其受力状况也是非常复杂的,考虑到实际地震作用与试验有偏差,大震时墙体严重开裂,托墙梁与非抗震的墙梁受力状态有所差异,当按静力的方法考虑有框架柱落地的托梁与上部墙体的组合作用时,若计算系数不变会导致不安全,应调整计算参数。从偏于安全和简化计算方面考虑,抗震规范在第 7.2.5条的条文说明中给出了当托墙梁上部各层墙体不开洞和在跨中 1/3范围内开一个洞口的情况下,弯矩计算的简化、偏于安全的方法。对托墙梁剪力计算时,由重力荷载产生的剪力不折减。

2.8 吸取汶川地震经验

2008年 5月汶川地震很多是强梁弱柱,很多都是柱子屈服折断,导致坍塌,所以总的原则要遵循,由震害分析中大家都能得到一个结论,遵循抗震概念设计,震害出现的概率会减低。

3 建立正确的计算模型

底框计算到底用哪一种程序,怎么计算?笔者认为是P K,用S A T WE复核,复核内容主要是吊筋和附加箍筋。很多人说 P K偏大,的确是这样的,但 S A WT E偏小。S A WT E看起来比较简单适合新手用,属于傻瓜型,P K不是很直观,需要一些技术含量。底框是需要靠电脑,但是手算是必不可少的!一个结构单元内采用两种不同的结构受力体系。如一半采用砌体承重,而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框砖房中一半为底框,而另一半为砖墙落地承重,这种情况常发现在平面纵轴与街道轴线相交的住宅,其底层为商店,设计成一半为底框砖房(有的为二层底框),而另一半为砖墙落地自承,造成平面刚度和竖向刚度二者都产生突变,对抗震十分不利。

3.1 底部剪力法

底部剪力法仅适用于刚度比较均匀的多层结构,对于具有薄弱底层的底层框架砖房,应考虑塑性变形集中的影响。另外,经分析知道提高软层的屈服强度可以减少软层塑性变形的集中。因此,底部剪力法对底层地震剪力要乘以一个1.2～1.5的增大系数。

3.2 底层框架剪力分配

底层框架砖房的剪力分配不能按照框架抗震墙的方法进行,因为底层框架砖房只有底层是框架抗震墙,且底层还有塑性变形,所以要采取双保险的办法。对抗震墙要使其承担全部剪力,对框架要按刚度比分配,不过要注意,在刚度计算时框架是按弹性计算的,而抗震墙开裂后刚度会退化。据有关试验数据得知,其刚度将下降到弹性刚度的 20%～30%。

3.3 底层框架结构计算高度

底层框架结构的计算高度的取值应根据实际情况而定,主要是看地坪的嵌固情况而定。若嵌固得好,如作刚性地坪或有连续的地基梁,可以从嵌固处取,否则从基础顶;抗震墙厚取 1/20层高,这里的层高与计算高度的概念不同,是指从一层地坪到一层楼板顶的高度。底层框架柱应考虑地震的倾复力矩引起的附加轴力。

3.4 钢筋在柱内锚固长度

抗震规范第 7.5.4条 4款对底部框架 -抗震墙房屋的钢筋混凝土托墙梁的上部纵向钢筋在柱内的锚固长度按框支梁要求,因结构高度与钢筋混凝土房屋相比较低,其框架柱的构造应符合 7.1.10条规定的抗震等级要求,框架柱上、下端弯矩的调整可参照框支柱的要求执行。

3.5 底框-抗震墙结构框架梁荷载的折减

当抗震设防烈度为 8度及以上时,上部荷载不折减,按100%作用在托梁上,托梁配筋与普通梁一样按受弯构件计算。当 6、7度(0.1g、0.15g)时,上部荷载可考虑乘折减系数,此时托墙梁配筋与普通梁一样按受弯构件计算,因此,输入的折减系数不应太小,一般可输入 0.7～0.9,但不应少于四层荷载值;也可将折减与墙梁同时勾选,程序根据砌体规范第 7.3.2条判断框架梁和过度层墙体是否符合墙梁的一般规定,对符合规定的框架梁和框支墙体按墙梁设计,对不符合规定的框架梁或框支墙体不考虑墙梁作用,在不满足墙梁的条件下,程序按折减去处理,但一般不考虑框架柱的边框作用。

4 做好防治措施

在《建筑抗震设计规范》(G B50011— 2001)中对“抗震措施”与“抗震构造措施”有不同的定义。抗震措施(规范2.1.9条):除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容,包括抗震构造措施。抗震构造措施(规范 2.1.10条):根据抗震概念设计原则,一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。

在经抗震设计房屋中,钢筋混凝土框架结构房屋的震害相对较轻,底框架砌体结构房屋和砌体结构房屋次之;中高层建筑和低层建筑的震害比多层建筑轻;钢筋混凝土结构抗震构造措施和各项计算调整系数均与钢筋混凝土结构的抗震等级相联系,前两者一个是抗震构造措施,另一个是计算系数,也就是在抗震等级和抗震构造措施不同时,如何确定钢筋混凝土结构的抗震等级。

对于底层框架抗震墙的砖房,底层框架抗震墙和上部砖房部分均具有一定的抗震能力,但这两部分不同承重和抗侧力体系之间的抗震性能是有差异的,而且其过渡楼层的受力也比较复杂。为了使这类房屋的抗震设计满足“小震不坏”、“中震可修”和“大震不倒”的抗震设防目标,其防治措施可从以下几个方面进行考虑:

(1)抗震构造柱布置不当。如外墙转角处,大厅四角未设构造柱或构造柱不成对设置;以构造柱代替砖墙承重;山墙与纵墙交接处不设抗震构造柱;过多设置抗震构造柱等。

(2)框架结构砌体填充墙抗震构造措施不到位。砌体外围护墙砌筑在框架柱外又没有设置抗震构造柱,框架间砌体填充墙高度长度超过规范规定要求又没有采取相应构造措施。

(3)还有的底框和内框砌体住宅采用大空间灵活隔断设计,其中几乎很少有纵墙。不少地方都采用钢筋混凝土内柱来承重以代替砖墙承重,实际上将砖混结构演变为内框架结构,这比底框砖房还不利,因内框砖房的层数、总高度控制比底框砖房更严,因此存在着严重抗震隐患。

(4)对于钢筋混凝土框架结构,当框架柱和框架梁边缘对齐时,一般将柱主筋放置在最外侧,梁纵向钢筋紧贴着柱最外侧主筋,从内侧穿过。而对于多层砌体房屋,为了使圈梁充分发挥其对结构构件的约束作用,当构造柱与圈梁边缘对齐时,一般将圈梁的纵向钢筋放置在最外侧,构造柱主筋从圈梁纵向钢筋内侧穿过。

(5)在钢筋的搭接区范围的箍筋间距需要加密,这是混凝土结构构件的构造要求。对于构造柱在纵向钢筋搭接区的箍筋也应加密。

(6)墙体局部尺寸限值。在抗震设计规范中对此有专门的限制性规定,这是从宏观上保证砌体房屋安全度的有效措施。但发现有承重窗间墙最小宽度<1.0m(六度设防);承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离<1.0m;非承重墙外墙尽端至门窗洞边的最小距离 <1.0m,甚至只有几十厘米等情况,片面追求开敞明亮却忽视了房屋的抗震安全。

(7)剪力墙布置方式。框剪结构剪力墙布置有 8字方针,即“周边,均匀,对称,相交”。底框结构中山墙一般要布置剪力墙,因为只在每个住宅单元楼梯间两侧布置混凝土剪力墙的底框结构是不宜采用的。

(8)通过对汶川地震的建筑震害调查,得到以下经验和教训:砌体结构的抗震性能需要严格的构造措施和施工质量给予保证,包括合理设置钢筋混凝土构造柱和圈梁、预制楼板的有效拉结和搁置长度或增加现浇层等,最好采用现浇楼盖,特别是应加强构造柱和承重墙的安全储备,否则这种结构形式极易在地震中发生严重破坏。

[1] G B50010-2002混凝土结构设计规范[S]

[2] G B50011-2001建筑抗震设计规范[S]

[3] G B50003-2001砌体结构设计规范[S]

[4] 张敏政.汶川地震中都江堰市的房屋震害[J].地震工程与工程振动,2008(3)

[5] 叶列平,陆新征.汶川地震建筑震害分析[J].建筑结构学报,2008(4)

[6] 王亚勇.汶川地震建筑震害启示 -抗震概念设计[J].建筑结构学报,2008(4)