底层框架砌体结构房屋震害特征及抗震对策

冯福雄，杨德健

(天津城市建设学院 a. 土木工程系；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

底层框架砌体结构房屋震害特征及抗震对策

冯福雄a,b，杨德健a,b

(天津城市建设学院 a. 土木工程系；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

底层框架砌体结构房屋为上刚下柔结构体系，在“5·12”汶川地震中遭受了严重破坏．通过对汶川地震中此类房屋震害特点进行总结，分析了相关震害产生的原因．对某工程实例在底层设置不同数量抗震墙以实现第二层与底层侧移刚度比的定量计算，分析不同侧移刚度比对结构薄弱层出现位置的影响，并对此类房屋建筑设计提出了几点建议．

底层框架砌体结构；薄弱层；侧移刚度比；震害分析；抗震措施

底层框架砌体结构房屋(简称底框房屋)是指底层或底部两层为钢筋混凝土-抗震墙结构、上部几层为砌体墙(砖或小砌块)承重的多层房屋．由于其造价低廉、施工方便和使用性能良好等特点，被广泛应用于我国中小城市的临街建筑．这类房屋底层采用钢筋混凝土框架结构，能提供较大的使用空间，多用来做商铺使用；上部采用多层砌体结构形式，可用来做住宅、办公室等．由于其上部是砌体形式，下部是框架形式，造成了“头重脚轻”“上刚下柔”的结果．从抗震的角度来讲，这对房屋的抗震设防是极为不利的，“头重脚轻”导致其在地震作用下上部砌体以很大的惯性力作用于底层框架；“上刚下柔”则造成结构竖向刚度分布不均匀，使房屋容易出现薄弱层，而薄弱层多出现在底层．我国现行的《建筑抗震设计规范》[1](GB50011—2001)规定，底框结构应设置抗震墙，形成底部框剪-砌体抗震结构体系，以提高底层框架刚度；并规定底层框架-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，6，7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．

据调查，在“5·12”汶川地震中，城镇倒塌和严重受损的房屋中，底框房屋占相当大比例．本文主要分析了汶川地震中此类房屋不同类型震害产生的原因，并提出相应对策．

1 底框砌体房屋的震害特征与分析

1.1 过渡层破坏

图1 过渡层发生破坏

图2 过渡层整体坍塌

“5·12”汶川地震后，有关专家学者进行了大量调研[2-6]，发现底框房屋过渡层部分出现严重的“破坏集中”现象．图 1为位于都江堰市一栋底框建筑，震后其底层框架部分基本完好，过渡层发生严重破坏；图 2为位于都江堰市景观路的建筑，其过渡层全部倒塌，整栋建筑严重破环．过渡层的严重破坏，首先在于它的材料性能，因采用的砖砌材料延性、抗变形能力和抗剪切能力都很差，在“大震”作用下易发生剪切破坏；其次过渡层在地震作用下受力状态复杂，它不仅承担传递上层砌体传来的地震剪力作用，而且上部结构对底层楼板的倾覆力矩将使过渡层的层间位移进一步增大．高小旺[7]通过对七层底框抗震墙砖房 1/2比例模型的抗震研究表明，过渡层砖墙开裂先于其他楼层砖墙(过渡层砂浆强度等级高于上部各层)，砌体开裂后其抗侧刚度显著降低，在地震剪力和倾覆力矩共同作用下过渡层进一步破坏．此次震害中的建筑多依据《建筑抗震设计规范》[8](GBJ11—89)，该规范过于强调加强底层框架部分刚度，造成过渡层刚度低于底层框架部分，使过渡层成为结构的薄弱楼层．

1.2 底层框架部分整体破坏

在历次大的地震中，底层框架砌体结构房屋的底框部分都出现了比较严重的破坏．此次“5·12”汶川地震中，这类建筑的底框部分也表现出很差的抗震性能．图3为房屋的框架层发生了过大水平侧移，这明显是底层抗侧承载力不足造成的．更有甚者，底层框架部分出现了坍塌，上部砖房整体下挫至地面，如图4所示．由于地震发生时间及使用功能原因，底层“薄弱层”的破坏造成了大量人员伤亡和财产损失．

图3 底层框架过大侧移变形

图4 底层框架整体坍塌

在大震作用下，“薄弱层”框架柱难以提供足够的抗震刚度和充足的延性，柔性底层框架屈服后会出现很大的塑性变形，产生“破坏集中”现象，并在反复地震力作用下轻则框架发生过大侧移，重则底层全部倒塌．《建筑抗震设计规范》[1]规定：第二层与底层侧向刚度的比值，6，7度时不应大于2.5，8度时不应大于2.0，就是为了防止底层框架成为明显“薄弱层”.

1.3 框架柱节点破坏

框架柱在弯矩、剪力和轴力作用下，柱顶、柱底出现水平裂缝、交叉斜裂缝，并且在反复地震作用下会发生混凝土局部压溃，纵筋屈服呈灯笼状破坏的情况，如图5、图6所示．这种柱节点的破坏类似于框架结构中出现的“强梁弱柱”现象，这是因为底层楼板对框架梁刚度的加强使得柱端要先于梁端出现塑性铰．另外，底层框架处于弹性工作阶段时，底部抗震墙具有很大的侧向刚度，框架柱侧向刚度相对较小，使得它分担的地震剪力也很小，但房屋在设防烈度下将进入非弹性变形阶段，此时抗震墙首先出现裂缝，刚度迅速降低，引起地震剪力的重新分配，使框架所分担的地震剪力大幅增大．从总体上来说，框架角柱的破坏要比内柱破坏严重，这主要是由于房屋布置原因使各层刚度中心与质量中心不重合，导致地震扭转效应，使角柱受力非常复杂．

图5 底层柱顶破坏

图6 底层框架柱纵筋压曲

1.4 底层墙体破坏

底层框架砌体结构房屋底层墙体可分为抗震墙和填充墙两种，其中抗震墙可采用钢筋混凝土和砌体两种形式．《建筑抗震设计规范》[1]规定，抗震设防烈度为6，7度，且总层数不超过 5层的底层框-墙房屋，允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙．此次地震的汶川地区多采用砖砌抗震墙，其在地震中遭受了严重破坏．从能量角度来看，抗震墙是房屋的第一道抗震防线，在地震作用时首先消耗地震能量，当抗震墙所受地震剪力超过墙体的抗剪承载力时，墙体发生剪切破坏，出现交叉斜裂缝，并在反复地震力作用下沿斜裂缝发生滑移错位，如图7所示．

图7 抗震墙剪切破坏

作为主要起分隔、维护作用的填充墙，在汶川地震中表现为剪切破坏、出平面破坏、局部挤压破坏等形式．由于填充墙属于非结构构件，其对结构的具体作用还没有量化的计算方法．但从能量角度来讲，填充墙的开裂、压坏都吸收了一定的地震能量，如图 8所示，可以看出填充墙出现明显裂缝，这说明填充墙起到了耗能的作用．因此填充墙对底框房屋的影响还需进一步研究．

图8 填充墙出现明显裂缝

2 不同侧移刚度比对薄弱层位置的影响

从“5·12”汶川地震中底框砌体砖房的震害可以看出，采用两种不同结构形式致使房屋竖向刚度不均匀分布是造成这类房屋破坏的主要原因之一．这时过渡层与底层侧移刚度比的合理取值就显得尤为重要，有关学者也对此进行了大量分析研究[9-10]．由于底框砌体房屋上部多为纵横墙密集的住宅或办公楼，底层框架柱相对于抗震墙的侧移刚度小得多，第二层与底层侧移刚度比主要反映底层抗震墙数量的多少．文中采用六层商店式住宅(底层商店，上部五层为住宅)，底层结构平面如图9所示，通过布置不同数量抗震墙来控制第二层与底层侧移刚度比，以探讨其对薄弱楼层出现位置的影响．抗震墙的布置方案及相应侧移刚度见表1．

图9 底层平面简图

表1 不同布置方案下底层侧移刚度及 2K/1K值

采用文献[11]提出的方法判别薄弱层位置：若ξy(1)＜0.8ξR(2)，则底层为薄弱楼层；若ξy(1)＞0.9ξR(2)，则第二层为薄弱楼层；若ξy(1)为(0.8～0.9)ξR(2)，则该结构较为均匀．ξ(i)为层间极限剪力系数，采用如下公式计算

式中：Rξ(1)为底层极限剪力系数；RV(1)为底层极限剪力，由框架和混凝土、砖抗震墙分别计算得到的极限剪力综合给出[11-12]；eV(1)为第一层弹性地震剪力．

对于表1中7种不同的侧移刚度比，若建筑处于8度区，总层数为 6层，则在“大震”作用下的极限剪力系数分布见表2．

表2 底层布置不同墙量时层间极限剪力系数Rξ

从表 2可以看出：采用布置方案 1时，底层刚度过小成为明显的薄弱楼层；而方案 7则相反，底层设置过多抗震墙使过渡层成为薄弱楼层．从表1和表2中不难看出，文中采用 4，5两种布置方案时，结构的整体刚度分布较为合适．这时过渡层与底层侧移刚度比在 1.5左右，而且此时结构的楼层极限剪力系数分布也比较均匀，这样框架、混凝土抗震墙均可发挥很好的变形能力和耗能能力，第二层砖房亦不会发生严重破坏．

3 结 语

本文主要分析了底层框架砖房在“5·12”汶川地震中遭受严重破坏的原因，通过实例讨论了不同侧移刚度比对结构薄弱楼层出现位置的影响，由此对这类房屋建筑设计提出以下几点建议：

(1)加强房屋整体性，避免结构出现明显薄弱层．对上部砖房合理设置圈梁、构造柱等构件，提高其空间抗震能力；

(2)在房屋布置时，不应仅着眼于房屋平、立面对称，也要注意房屋质量与刚度中心是否重合，减轻扭转效应对结构底部框架的影响；

(3)确定合理的侧移刚度比，使底层框架抗震墙既能发挥良好的变形性能和耗能性能，又不至于出现较大变形，避免出现由于底层设置过多抗震墙而造成上部过渡层成为薄弱楼层的现象；

(4)关于填充墙对此类结构抗震性能的影响还有待进一步研究，在抗震设计时宜考虑填充墙的耗能作用．

［1］GB50011—2001，建筑抗震设计规范[S].

［2］徐有邻. 汶川地震震害调查及对建筑结构安全的反思[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.

［3］叶列平，曲 哲，陆新征，等. 建筑结构的抗倒塌能力——汶川地震建筑震害的教训[J]. 建筑结构学报，2008，29(4)：42-50.

［4］黄代明，赵 攀，韩 娟. 汶川地震中底框和框架结构的震害分析[J]. 山西建筑，2009，35(13)：66-67.

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［11］高小旺，王 菁，王金妹，等. 底层框架抗震墙砖房抗震能力分析方法[J]. 建筑科学，1995(4)：33-37.

［12］高小旺，薄庭辉，宗志桓. 带边框开竖缝钢筋砼低矮墙的实验研究[J]. 建筑科学，1995(4)：24-31.

Analysis of Seismic Performance of Multistory Masonry Buildings with Bottom Story Frame and Seismic Measures

FENG Fu-xionga,b，YANG De-jiana,b
(a. Department of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

The multistory masonry building with bottom story frame is a kind of structure system with rigid upper stories and flexible bottom ones. Such buildings were seriously damaged in“5·12”Wenchuan Earthquake. After summarizing the characteristics of seismic damage in Wenchuan Earthquake, this paper mainly analyzes the causes of related seismic damage.This paper sets different earthquake proof walls for bottom story frame in a project case, and calculates the stiffness ratio of the second masonry floor to the bottom floor, and then analyzes the impact of different lateral stiffness ratio on the weak layer of construction. Finally this paper puts forward some suggestions for the similar building designs.

multistory masonry buildings with bottom story frame；weak layer；lateral stiffness ratio；damage Key words：analysis；seismic measures

TU352.11

A

1006-6853(2011)01-0010-05

2010-10-29；

2010-11-15

冯福雄（1986—），男，天津人，天津城市建设学院硕士生.