底部框架—抗震墙砌体房屋抗震设计探讨

李昊阳

【摘 要】底层或底部两层为钢筋混凝土框架—抗震墙结，上部几层为砌体（砖或小砌块）承重的多层房屋，底框结构下部由于使用功能要求，往往要求大空间， 而上部为较小开间的住房或办公用房，因而在结构设计中，分析此类房屋结构体系受力特点及抗震中的薄弱环节。然后，着重分析了此类房屋结构在概念设计、计算分析等抗震设计方法的若干关键问题，提出抗震设计的关键措施。

【关键词】底框结构；震害分析；布置原则；防治措施

据有关震害调查和实验研究表明，当底层无抗震墙或抗震墙数较少时，底层框架一抗震墙砌体房屋的震害集中在底层框架或底层框架抗震墙部分，且墙比柱重，柱比梁重。主要是由于结构刚度上刚下柔或抗侧力强度上强下弱，加之底层所受地震作用相对较大，造成底层框架抗震墙变形过分集中，位移太大或丧失承载力而破坏。但上部各层墙体除了因连接构造太差而发生失稳破坏外，一般基本完好或轻微破坏，层间位移相对很小。当底层设置抗震墙太多时，其震害现象与多层砌体房屋的震害类似，一般是第二层墙体破坏较为严重。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，由于刚度沿竖向急剧变化，在地震作用时，房屋层间侧向变形集中发生于相对薄弱的底层，而其他各层侧向变形很小。地震时，当房屋抗侧力构件的变形超过构件的极限允许变形时就发生破坏，超过愈多，破坏愈严重。另外，底层框架钢筋混凝土柱的破坏，还由于柱上、下端箍筋间距较大、柱端的混凝土与纵向钢筋缺乏必要的约束而导致。所以，房屋的震害特点多发生在底层。

上述震害特点与该类房屋的抗震性能是基本一致的。底部框架一抗震墙砌体房屋是由底层或底部两层为框架抗震墙、上部为多层砌体房屋构成的。这类房屋的底部框架一抗震墙结构部分具有一定的抗侧力刚度和一定的承载能力、变形能力及耗能能力上部多层砌体房屋具有较大的抗侧力刚度和一定的承载能力，但变形和耗能能力相对较差。这类结构的整体抗震能力即取决于底部和上部各自的抗震能力，又决定于底部和上部的抗侧力刚度和抗震能力的相互匹配程度，也就是说不能存在特别薄弱的楼层，凡震害严重的部位，均为抗震设计考虑不周而出现的相对薄弱的楼层。尽量避免薄弱楼层是底部框架一抗震墙砌体房屋抗震设计中的一个重要概念。

一、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。

1.《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。

2. 对于底框抗震墙设置，应按照《抗规》规定执行：房屋的底部，应沿纵、横两方向设置一定数量的抗震墙，并应均匀对称布置。

3.传力简单明确：抗震结构体系应具有明确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。

4.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。

5.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连接，共同加强建筑物的稳定性。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。

二、计算设计中的关键问题

1. 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～l.5的增大系数。

2. 当计算有框架柱落地的托墙梁与上部墙体的组合作用时，应计入地震时墙体开裂对组合作用的不利影响，可调整有关的弯矩系数、轴力系数等计算参数。当托墙梁上部各层墙体不开洞和跨中1/3范围内开一个洞口时，可采用折减荷载的方法：托墙梁弯矩计算时，由重力荷载代表值产生的弯矩，四层以下全部计入组合，四层以上可有所折减，取不小于四层的数值计入组合；对托墙梁剪力计算时，由重力荷载产生的剪力不折减。

3.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。《抗规》规定：底层框架-抗震墙砌体房屋的纵横两个方向，第二层计入构造柱影响的侧向刚度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。

三、防治措施

由于底部框架—抗震墙房屋顶部刚度很大，吸收的地震力也很大，为满足承载力要求，底部一般要布置较多剪力墙。房屋按上述处理后，过渡层与下相邻层的刚度比上限一般容易满足，但下限却很难满足。可采用下列措施使侧向刚度比下限满足规范要求：适当减小底层剪力墙的长度，剪力墙上设置结构洞口或设置竖缝，增加底层层高，减小过渡层层高，尽可能地减小底层框架柱截面等。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.结构设计人员要及早介入建筑方案设计，并和建设单位协商，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。

2.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。

3.底部框架柱应考虑地震的倾覆力矩引起的附加轴力。

4.加强底框上一层砌体结构与底框的连接，对上部结构水平作用的有效传递将起到很好的作用。过渡层构造柱的纵向钢筋，6、7度时不宜少于4Φ16，8度时不宜少于4Φ18。一般情况下，纵向钢筋应锚入下部的框架柱或混凝土墙内；当纵向钢筋锚固在托墙梁内时，托墙梁的相应位置应加强。过渡层的底板应采用现浇混凝土板，板厚不应小于120mm；并应少开洞、开小洞，当洞口尺寸大于800mm时，洞口周边应设置边梁。

四、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。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中国建筑工业出版社 2010 北京.

[2]砌体结构设计规范（GB50003-2011）中国建筑工业出版社 2012 北京.

[3]建筑抗震设计规范应用与分析 朱丙寅 中国建筑工业出版社 2011 北京.

[4]全国民用建筑工程设计技术措施（砌体结构）中国计划出版社 2012 北京.