底部框架—抗震墙砌体房屋的抗震设计

关键词：底部框架-抗震墙；抗震性能；结构体系；抗震设计；抗震构造措施 

　　1.前言 

　　随着国民经济的迅速发展，在农村城镇化及乡镇城市化的过程中，底部框架-抗震墙结构砌体房屋仍在继续兴建。由于该类房屋上、下采用了不同材料和结构形式组成的复合结构，对于抗震性能是不利的。在历次的地震震害中，特别是汶川大地震中，其震害是较为严重的。 

　　根据该类房屋的特点，结合试验研究、理论分析和工程实践经验，在底部框架-抗震墙砌体房屋的设计中应重点解决结构体系、薄弱层和过渡层、抗震能力匹配性和增强房屋整体抗震能力的合理设计，确保设计满足“小震”不坏，设防烈度可修和“大震”不倒的抗震设防目标。 

　　2.底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震性能分析 

　　底部框架-抗震墙砌体房屋结构的底部设置了足够数量的抗震墙，其底部有较大的侧向刚度，水平地震作用下的侧向变形得到有效控制。上部砌体房屋具有较大的抗侧力刚度和一定的承载能力，但耗能和变形能力相对较差。越靠近底部的砌体墙体所需承受的地震剪力越大，故底部框架层上方的过渡楼层墙体比较容易在地震中发生剪切破坏。据近十几年来对这类结构的一系列试验分析和研究，并结合大量的工程经验，得出这类结构的抗震能力主要取决于底部框架-抗震墙、过渡层及过渡层以上各层砌体的能力。过渡层受力比较复杂，担负着传递上部的地震剪力和倾覆力矩的作用，同时受底部框架-抗震墙的弯曲变形影响，致使过渡层侧移增大，使纵向墙体容易产生水平裂缝。因此，从抗震设计的原则和概念出发，应解决该类房屋的抗震能力的合理设计，采用足够的抗震构造措施，确保房屋的安全稳定。 

　　3.底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震设计 

　　3.1抗震性能应均匀匹配 

　　底部框架-抗震墙砌体房屋是由两种承重和抗侧力体系构成的结构，具有与同一种抗侧力体系构成的房屋不同的受力变形和薄弱楼层判别的特点。这类房屋的底部与上部结构的抗震性能宜均匀匹配，必须避免出现特别薄弱的楼层。这类房屋结构的抗震能力不仅取决于底部框架一抗震墙和上部砌体各自的抗震能力，而且还取决于两者之间抗震能力的匹配程度，即不能有一部分太弱。抗震墙部分具有较好的变形能力和耗能能力，在地震力作用下不致于发生集中的严重的脆性破坏，而上部砌体部分的变形能力和耗能能力比较差，在地震力作用下若出现薄弱楼层，将会产生集中的严重的脆性破坏，因此该类结构的抗震设计应解决好房屋下部与上部结构的抗震性能力匹配性。 

　　3.2结构体系的要求 

　　抗震结构体系要求传力合理，传力路线不间断，且受力明确，使结构的抗震分析与在地震时实际反应更加相符合，是布置结构抗侧力体系时首先要考虑的条件之一。 

　　3.2.1底部抗震墙布置 

　　底部框架-抗震墙结构的底部受力比较复杂，而底部的严重破坏将危及整个房屋的安全，加上地震倾覆力矩对框架柱产生的附加轴力使得框架柱的变形能力有所降低，因此对底部抗震墙的设置要求较高，在底层或底部两层均应沿纵横两个方向设置一定数量的抗震墙，加强底部的刚度，使底部形成具有两道防线的框架-抗震墙体系，抗震墙应布置在上部砌体结构有砌体抗震墙轴线处，并应是贯通底部两层，沿两个主轴方向均匀对称布置，防止扭转影响。抗震墙的间距不能过大。为了增强钢筋混凝土抗震墙的极限承载力和变形耗能能力、利用墙板的稳定，应把钢筋混凝土抗震墙设计成带边框的钢筋混凝土墙，以保证抗震墙破坏后，周边的梁和边框柱仍能承受竖向荷载。底部抗震墙的布置还应使过渡层与其下层的侧向刚度接近，并保证过渡层的刚度大于其下层刚度。底部为一层框架-抗震墙砌体房屋时，第二层计入构造柱影响的侧向刚度与底层的侧向刚度比值，Ⅵ度、Ⅶ度时不应大于2.5，Ⅷ度时不应大于2.0，且均不得小于1.0；底部两层框架-抗震墙砌体房屋时，第三层计入构造柱影响的侧向刚度与底部第二层侧向刚度比值，Ⅵ度、Ⅶ度时不应大于2.0，Ⅷ度时不应大于1.5，且均不得小于1.0。避免结构出现薄弱层。 

　　3.2.2底部框架的布置 

　　底部框架-抗震墙砌体结构属于抗震性能相对较弱的结构体系，底部应采用双向现浇钢筋混凝土框架，且不应采用单跨。底部框架柱的柱距不宜过大，宜小于等于7.5m，以保证底部具有足够的侧向刚度，同时易于上部砌体墙与底部框架梁或抗震墙的边框梁对齐，减少次梁托墙的二次转换。支承上部砌体承重墙的托墙梁宜为底部框架梁。 

　　3.2.3上部砌体房屋部分的结构体系和建筑布置 

　　（1）上部砌体房屋优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系，不应采用砌体墙和混凝土墙混合承重的结构体系。如仅采用纵向墙承重体系时，因横向支承较少，纵墙易受弯曲破坏而导致倒塌，故不宜采用该结构布置方案。混凝土墙和砌体墙混合承重的结构体系其受力复杂，混凝土墙的刚度大，应力集中，不同材料的墙体受力后易各个击破。对于上下部分为不同材料、不同结构体系的底框一抗震墙砌体房屋更应避免采用。 

　　（2）上部砌体房屋的纵横墙应均匀对称布置，沿平面内宜对齐，使各墙体受力均匀，避免出现较弱的部位破坏，沿竖向应上下连续，内纵墙不宜错位，保证结构体系传力合理及传力路线的不间断，且纵横墙的数量不宜相差过大。房屋在宽度方向的中部应设置内纵墙，其累计长度不宜小于房屋总长度的60%。同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀，墙面洞口面积，Ⅵ度、Ⅶ度时不宜大于墙面总面积的55%，Ⅷ度时不宜大于50%。 　　3.2.4楼梯间的布置 

　　上部砌体房屋的楼梯间墙体缺少各层楼板的双侧侧向支承，尤其是楼梯间顶层，墙体有一层半楼层的高度，地震中震害较为严重，因此，在楼梯间建筑布置时楼梯间应尽量不设在尽端。楼梯间宜设置抗震墙以形成安全通道，但不宜造成较大的扭转效应。房屋转角窗严重削弱纵横向墙体在角部的连接。局部破坏严重，必须避免采用。 

　　3.2.5底部抗震墙的基础 

　　底部抗震墙承受相当大的地震剪力、弯矩和倾覆力矩，因此其基础应具有良好的整体性和较强的抗转动能力，防止当地基土较弱、基础刚度和整体性较差时，地震作用下抗震墙基础产生较大转动而使抗震墙的侧向刚度降低，对构件内力和位移产生不利影响，因此应设置整体性及抗转动能力较强的条形基础、筏形基础。 

　　3.3水平地震作用和作用效应 

　　3.3.1地震作用计算 

　　对于平、立面布置规则，质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法，其余情况可采用振型分解反应谱法。采用振型分解反应谱法时，应取足够的振型数。 

　　3.3.2地震作用效应调整 

　　根据底部框架-抗震墙砌体房屋的地震反应，实际并未因底部的刚度小于过渡层而在底部出现增大的反应，为防止因底部严重破坏而导致房屋的整体跨塌，减少底部的薄弱程度，规范对底部剪力设计值进行增大调整以增强底部的抗震承载能力。增大系数根据过渡楼层与其下相邻楼层的侧向刚度比值用线性插值法近似确定，可在1.0-1.5范围选用，侧向刚度比越大增加越高，当过渡层与其下相邻楼层的侧向刚度比在1.0-1.3之间时，底部的地震剪力值可不作增大调整。 

　　3.3.3地震剪力分配 

　　水平地震剪力根据对应的框架-抗震墙结构中各构件的侧向刚度比，符合多道抗震设防的原则进行分配： 

　　（1）抗震墙作为底部第一道防线的抗震墙，其具有较好的承载能力，故底层或底部两层纵向和横向地震剪力设计值均全部由该方向的抗震墙承担，并按各抗震墙的侧向刚度比例进行分配。 

　　（2）框架 

　　在地震作用下，底部抗震墙开裂，抗震墙开裂后将产生弹塑性内力重分布。底部框架作为第二道防线，对提高房屋的整体抗震能力起着很重要的作用。因此，可按底部框架和抗震墙的有效侧向刚度比例进行分配框架承受的地震剪力设计值。有效侧向刚度的取值，框架不折减，混凝土抗震墙或配筋的砌体抗震墙可乘以折减系数0.3，约束普通砖砌体或小砌块砌体抗震墙可乘折减系数0.2。 

　　（3）上部砌体部分 

　　①现浇和装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，按抗侧力构件侧向刚度的比例分配。 

　　②采用普通预制板的装配式钢筋混凝土楼、屋盖的建筑，按抗侧力构件侧向刚度比例和从属面积上重力荷载代表值比例的平均值分配。 

　　3.4主要抗震构造措施 

　　3.4.1框架柱截面 

　　底部框架-抗震墙砌体房屋的底部框架受力复杂，具有承受上部砌体房屋传递的竖向荷载、地震倾覆力矩和水平地震剪力等作用，框架柱截面应有一定刚度，矩形截面的各边边长均不应小于400mm，圆形柱载面的直径不应小于450mm，箍筋直径，Ⅵ、Ⅶ度时不应小于8mm，Ⅷ度时不小于10mm，并应全高加密箍筋，间距不大于100mm。 

　　3.4.2轴压比 

　　轴压比的控制接近框支柱的有关要求，抗震等级为一、二、三级时分别不宜超过0.65、0.75、0.85。 

　　3.4.3托墙梁 

　　（1）梁载面宽度不应小于300mm，截面高度不应小于跨度的1/10。 

　　（2）箍筋直径不应小于8mm，间距不应大于200mm，梁端在1.5倍梁高且不小于1/5梁净跨范围内，以及上部墙体的洞口处和洞口两侧各500mm，且不小于梁高的范围内，箍筋间距不应大于100mm。 

　　（3）梁的纵向受力钢筋和腰筋应按受拉钢筋的要求锚固在柱内，且支座上部的纵向钢筋在柱内的锚固长度应符合钢筋混凝土框支梁的有关要求。 

　　3.4.4抗震墙 

　　（1）抗震墙墙板周边应设置梁（暗梁）和端柱组成的边框。 

　　（2）抗震墙墙板的厚度不宜小于160mm，且不应小于墙板净高的1/20。 

　　3.4.5过渡层底板 

　　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。 

　　3.4.6上部砌体房屋构造措施 

　　（1）构造柱设置：构造柱有利于提高房屋在地震时的抗倒塌能力，构造柱对于墙体的约束作用，主要是依靠与各层墙体的圈梁或现浇板的整体连接来实现，因此构造柱设置的部位及要求应满足相关规范要求，特别是过渡层构造柱的设置要求更应严格。 

　　（2）圈梁设置：圈梁能增强房屋的整体性，提高房屋的抗震能力，是抗震的有效措施，圈梁的设置及要求应满足相关规范要求。 

　　4.结语 

　　底部框架-抗震墙砌体房屋是我国现阶段经济条件下特有的一种结构，地震震害表明，该类房屋设计不合理，其底部可能发生变形集中、出现较大的侧移而破坏。如前所述，该类房屋的设计，应综合考虑上下部不同结构类型的抗震设计，除结构各部分满足承载力、变形能力及构造要求外，还要注意上下部结构的抗震性能相匹配，不能有一部分过弱，避免上部砌体房屋出现薄弱楼层。因此，底部框架-抗震墙砌体房屋的设计应综合考虑各种不利因素的影响，特别是对地震作用计算、结构布置及构造措施等这几方面的抗震设计更应引起足够的重视。 

　　参考文献 

　　[1]中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2011. 

　　[2]《底部框架-抗震墙砌体房屋抗震技术规程》（JGJ248-2012）.北京：中国建筑工业出版社，2012. 

　　[3]黄世敏，杨沈.建筑震害与设计对策，北京：中国计划出版社，2009.