對(duì)小城鎮(zhèn)中底框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理解

單春明,盛壽鋼

(1.江蘇省鹽城建筑工程學(xué)校,江蘇鹽城 224006;

2.江蘇省鹽城同濟(jì)建筑市政設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇鹽城 224006)

在小城鎮(zhèn)建設(shè)中,許多臨街的住宅建筑往往是需要在底部設(shè)置一層或兩層較大空間的商店、飯店等,建筑的上面幾層為縱橫墻較多的砌體承重結(jié)構(gòu),底部則采用框架及抗震墻而形成了底部框架-抗震墻結(jié)構(gòu),因其在使用上的方便性和靈活性及造價(jià)較純框架結(jié)構(gòu)低而被廣泛采用。

1 選擇合理的結(jié)構(gòu)形式

商住多層建筑近年來(lái)在中、小城市中很常見(jiàn),即將一層作門市,然后在其上建造住宅的建筑。此種結(jié)構(gòu)形式實(shí)際計(jì)算屬下柔上剛,對(duì)抗震極為不利,如果不加抗震墻,做成底層純框架而上部磚混的結(jié)構(gòu),在地震區(qū)將存在一些問(wèn)題。如果其設(shè)計(jì)思路仍然沿用非地震區(qū)的設(shè)計(jì)思路,如遇地震災(zāi)害,則大底盤建筑因結(jié)構(gòu)上未設(shè)防或設(shè)防不當(dāng),其后果將變得非常嚴(yán)重。對(duì)于地震區(qū)需要抗震設(shè)防的多層商住建筑,底層為鋼筋混凝土框架的大空間商店,上部為小開(kāi)間磚房或砌塊建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需作縱橫兩方面的抗震驗(yàn)算(包括承載力和變形),有的僅作了橫向底層框架的驗(yàn)算,而縱向卻按一般連續(xù)梁計(jì)算。在構(gòu)造上,有些設(shè)計(jì)忽視了在底層縱橫方向設(shè)置一定數(shù)量的抗震墻,或只有橫向抗震墻,使整幢建筑上剛下柔,或橫剛縱柔;地震作用下即容易產(chǎn)生較大的彈塑性變形。如果框架柱箍筋間距太大,特別是在柱上、下端箍筋沒(méi)有按規(guī)范要求進(jìn)行加密時(shí),其破壞就更加嚴(yán)重。再加上門市在使用上的要求,框架梁的跨度及荷載都較大,使得梁的截面尺寸較大,而中間柱高度相對(duì)較高,從而使得梁的剛度較大,而按《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》(G B50011-2001)要求,抗震結(jié)構(gòu)體系中的混凝土構(gòu)件,應(yīng)避免剪切先于彎曲破壞,混凝土的壓潰先于鋼筋屈服,鋼筋錨固粘結(jié)先于構(gòu)件破壞,因此違背了“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

框架結(jié)構(gòu)由現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架梁、柱和板組成的結(jié)構(gòu)支架,主要是梁和柱子起到承重作用,而墻體僅作填充隔斷,不受力,所以房間的布置靈活,門窗都可以大小,形狀自由,多用于 7度以上抗震結(jié)構(gòu)和大空間結(jié)構(gòu)?？蚣艚Y(jié)構(gòu)是用框架承重、用剪力墻抗御側(cè)向力(地震、風(fēng)力等)。磚混結(jié)構(gòu)是混合結(jié)構(gòu)的一種,是采用磚墻來(lái)承重,鋼筋混凝土梁柱板等構(gòu)件構(gòu)成的混合結(jié)構(gòu)體系,適合開(kāi)間進(jìn)深較小,房間面積小,多層或低層的建筑。在相互比較上,框剪結(jié)構(gòu)無(wú)論從抗震、穩(wěn)定性、房屋堅(jiān)韌性等都優(yōu)于磚混結(jié)構(gòu)。在防震中,框架和剪力墻成為房屋的“兩道防線”,增加了結(jié)構(gòu)體系的剛度和強(qiáng)度,是個(gè)柔性結(jié)構(gòu)。而磚混中砌體自重大,使砌體結(jié)構(gòu)所承受的地震力也相對(duì)的增大,而且是由脆性材料組成,抗拉抗剪強(qiáng)度較差,延性差,抗變形能力小,砌體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量又難控制,很容易對(duì)結(jié)構(gòu)破壞,是個(gè)剛性結(jié)構(gòu)?？蚣艿脑靸r(jià)比磚混要高些?？蚣芘c磚混結(jié)構(gòu)混建,由于二者變形能力不同,框架的地震力會(huì)傳給砌體,加重砌體的破壞。磚混結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)就是造價(jià)便宜,適合多層和低層的房屋,但現(xiàn)在其實(shí)很多多層或低層,包括兩三層的別墅都用上框架剪力結(jié)構(gòu)了,更說(shuō)明了人們重視生命安全的房屋承重結(jié)構(gòu)體系,框剪體現(xiàn)了它的優(yōu)點(diǎn)。

2 重視底框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)

底框結(jié)構(gòu)具有“頭重腳輕”、上剛下柔的特點(diǎn),為保證實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震原則,《建筑設(shè)計(jì)抗震規(guī)范》對(duì)底框結(jié)構(gòu)底部框架層與上層剛度比做出了明確規(guī)定,其中底層框架,第二層與底層側(cè)向剛度比,6、7度時(shí)不應(yīng)大于 2.5,8度不應(yīng)大于 1.5,且均不應(yīng)小于 1。底框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意做到這一點(diǎn),有時(shí)需要反復(fù)計(jì)算,多次與建筑專業(yè)協(xié)調(diào),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題:

2.1 建筑布置合理性

《抗規(guī)》第 3.4.2條明確規(guī)定“建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱,并應(yīng)具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化,豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減少,避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變”。但在實(shí)際工作中,建筑布置的合理性往往被忽視。目前的一些建筑設(shè)計(jì),由于仍沿襲不設(shè)防時(shí)的設(shè)計(jì)思路,將抗震基本要求擱置一邊,為片面追求建筑效果,將底層框架房屋平面上多處凹進(jìn)凸出,導(dǎo)致各部分質(zhì)量極不均勻,建筑物外縱墻多處被人為割斷,嚴(yán)重影響抗震剛度。此外,在立面上又設(shè)置了許多不利于抗震的裝飾物,如某公寓女兒墻竟高達(dá) 3m以上。如果上述問(wèn)題解決得不好,抗震設(shè)防問(wèn)題就會(huì)越積越多,一旦發(fā)生大地震,代價(jià)將會(huì)十分慘重。

2.2 合理設(shè)置抗震墻

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要及早介入建筑方案與初步設(shè)計(jì),并和建筑工種與建設(shè)單位反復(fù)協(xié)商,在不影響或少影響功能的前提下,使縱橫外墻、室內(nèi)分隔墻等盡量對(duì)稱,并均勻地在縱橫兩個(gè)方向設(shè)置一定數(shù)量的抗震墻,使上層與底層的縱橫向側(cè)移剛度比,能夠滿足規(guī)范要求。根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(G B 50003-2001)條文說(shuō)明,底層設(shè)置一定數(shù)量抗震墻的框支墻梁房屋模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明,其抗震性能不僅不比同樣層數(shù)的多層房屋低,甚至還要好些。所以,在底框結(jié)構(gòu)中合理設(shè)置一些抗震墻是非常重要的。

2.3 合理確定抗震墻軸線

為提高其抗震能力,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中第 7.1.8條1款要求,上部砌體抗震墻與底部的框架梁或抗震墻的軸線對(duì)齊或基本對(duì)齊,即大部分砌體抗震墻由下部的框架主梁或鋼筋混凝土抗震墻支承,每單元砌體抗震墻最多有二道不落在框架主梁或鋼筋混凝土抗震墻上,而是由次梁支托上部抗震墻。托墻的次梁應(yīng)按第 3.4.3條考慮地震作用的計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整。建議盡量采用上部結(jié)構(gòu)減少抗震墻數(shù)量的方案,即在無(wú)法對(duì)齊處設(shè)置次梁支承非抗震隔墻以避免次梁托抗震墻的方法。

2.4 仔細(xì)理解規(guī)范的要求

上面幾層砌體結(jié)構(gòu),由于開(kāi)間小、橫墻多,不僅重量大,側(cè)移剛度也大,而底層框架側(cè)移剛度比上層小得多。剛度的急劇變化使得在結(jié)構(gòu)剛?cè)峤唤犹?應(yīng)力高度集中,在柱端產(chǎn)生塑性鉸,并使房屋的變形集中發(fā)生在相對(duì)薄弱的底層。這種比較薄弱的底層或中間層,可稱之為“軟層”,對(duì)于這種“軟層”在抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠重視。

2.5 嚴(yán)格控制側(cè)移剛度比

底部框架-抗震墻房屋為了保證結(jié)構(gòu)的安全,嚴(yán)格控制底層框架和上部砌體結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度比,以免地震時(shí)底層框架部分的結(jié)構(gòu)先于上部砌體部分破壞或破壞轉(zhuǎn)移至過(guò)渡層。若上部砌體部分采用多孔磚,側(cè)移剛度比的要求無(wú)變化,仍按抗震規(guī)范第 7.1.8條的要求執(zhí)行。

2.6 滿足承載力計(jì)算要求

底部框架-抗震墻房屋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),所布置的抗震墻既要滿足側(cè)移剛度比限值的要求,又要滿足承載力計(jì)算的要求。經(jīng)常遇到承載力驗(yàn)算不滿足,增加抗震墻的數(shù)量或厚度,滿足了承載力驗(yàn)算的要求,但側(cè)移剛度比限值又不滿足了的問(wèn)題,解決的辦法主要是設(shè)置結(jié)構(gòu)洞口,即采用在鋼筋混凝土抗震墻上設(shè)置洞口并采用輕質(zhì)砌塊材料填實(shí)的方法,將抗震墻的剛度降低,在滿足承載力驗(yàn)算的要求的同時(shí)符合側(cè)移剛度比限值的要求。

2.7 合理調(diào)整計(jì)算系數(shù)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(G B50003-2001)中考慮了墻梁組合作用,底部框架 -抗震墻砌體結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土托墻梁是否可以考慮共同作用對(duì)地震作用進(jìn)行折減?從試驗(yàn)室的試驗(yàn)和有限元分析的結(jié)果看,墻梁組合的作用十分明顯,但其受力狀況也是非常復(fù)雜的,考慮到實(shí)際地震作用與試驗(yàn)有偏差,大震時(shí)墻體嚴(yán)重開(kāi)裂,托墻梁與非抗震的墻梁受力狀態(tài)有所差異,當(dāng)按靜力的方法考慮有框架柱落地的托梁與上部墻體的組合作用時(shí),若計(jì)算系數(shù)不變會(huì)導(dǎo)致不安全,應(yīng)調(diào)整計(jì)算參數(shù)。從偏于安全和簡(jiǎn)化計(jì)算方面考慮,抗震規(guī)范在第 7.2.5條的條文說(shuō)明中給出了當(dāng)托墻梁上部各層墻體不開(kāi)洞和在跨中 1/3范圍內(nèi)開(kāi)一個(gè)洞口的情況下,彎矩計(jì)算的簡(jiǎn)化、偏于安全的方法。對(duì)托墻梁剪力計(jì)算時(shí),由重力荷載產(chǎn)生的剪力不折減。

2.8 吸取汶川地震經(jīng)驗(yàn)

2008年 5月汶川地震很多是強(qiáng)梁弱柱,很多都是柱子屈服折斷,導(dǎo)致坍塌,所以總的原則要遵循,由震害分析中大家都能得到一個(gè)結(jié)論,遵循抗震概念設(shè)計(jì),震害出現(xiàn)的概率會(huì)減低。

3 建立正確的計(jì)算模型

底框計(jì)算到底用哪一種程序,怎么計(jì)算?筆者認(rèn)為是P K,用S A T WE復(fù)核,復(fù)核內(nèi)容主要是吊筋和附加箍筋。很多人說(shuō) P K偏大,的確是這樣的,但 S A WT E偏小。S A WT E看起來(lái)比較簡(jiǎn)單適合新手用,屬于傻瓜型,P K不是很直觀,需要一些技術(shù)含量。底框是需要靠電腦,但是手算是必不可少的!一個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)采用兩種不同的結(jié)構(gòu)受力體系。如一半采用砌體承重,而另一半或局部采用全框架承重或排架承重;底框磚房中一半為底框,而另一半為磚墻落地承重,這種情況常發(fā)現(xiàn)在平面縱軸與街道軸線相交的住宅,其底層為商店,設(shè)計(jì)成一半為底框磚房(有的為二層底框),而另一半為磚墻落地自承,造成平面剛度和豎向剛度二者都產(chǎn)生突變,對(duì)抗震十分不利。

3.1 底部剪力法

底部剪力法僅適用于剛度比較均勻的多層結(jié)構(gòu),對(duì)于具有薄弱底層的底層框架磚房,應(yīng)考慮塑性變形集中的影響。另外,經(jīng)分析知道提高軟層的屈服強(qiáng)度可以減少軟層塑性變形的集中。因此,底部剪力法對(duì)底層地震剪力要乘以一個(gè)1.2～1.5的增大系數(shù)。

3.2 底層框架剪力分配

底層框架磚房的剪力分配不能按照框架抗震墻的方法進(jìn)行,因?yàn)榈讓涌蚣艽u房只有底層是框架抗震墻,且底層還有塑性變形,所以要采取雙保險(xiǎn)的辦法。對(duì)抗震墻要使其承擔(dān)全部剪力,對(duì)框架要按剛度比分配,不過(guò)要注意,在剛度計(jì)算時(shí)框架是按彈性計(jì)算的,而抗震墻開(kāi)裂后剛度會(huì)退化。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知,其剛度將下降到彈性剛度的 20%～30%。

3.3 底層框架結(jié)構(gòu)計(jì)算高度

底層框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算高度的取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定,主要是看地坪的嵌固情況而定。若嵌固得好,如作剛性地坪或有連續(xù)的地基梁,可以從嵌固處取,否則從基礎(chǔ)頂;抗震墻厚取 1/20層高,這里的層高與計(jì)算高度的概念不同,是指從一層地坪到一層樓板頂?shù)母叨?。底層框架柱?yīng)考慮地震的傾復(fù)力矩引起的附加軸力。

3.4 鋼筋在柱內(nèi)錨固長(zhǎng)度

抗震規(guī)范第 7.5.4條 4款對(duì)底部框架 -抗震墻房屋的鋼筋混凝土托墻梁的上部縱向鋼筋在柱內(nèi)的錨固長(zhǎng)度按框支梁要求,因結(jié)構(gòu)高度與鋼筋混凝土房屋相比較低,其框架柱的構(gòu)造應(yīng)符合 7.1.10條規(guī)定的抗震等級(jí)要求,框架柱上、下端彎矩的調(diào)整可參照框支柱的要求執(zhí)行。

3.5 底框-抗震墻結(jié)構(gòu)框架梁荷載的折減

當(dāng)抗震設(shè)防烈度為 8度及以上時(shí),上部荷載不折減,按100%作用在托梁上,托梁配筋與普通梁一樣按受彎構(gòu)件計(jì)算。當(dāng) 6、7度(0.1g、0.15g)時(shí),上部荷載可考慮乘折減系數(shù),此時(shí)托墻梁配筋與普通梁一樣按受彎構(gòu)件計(jì)算,因此,輸入的折減系數(shù)不應(yīng)太小,一般可輸入 0.7～0.9,但不應(yīng)少于四層荷載值;也可將折減與墻梁同時(shí)勾選,程序根據(jù)砌體規(guī)范第 7.3.2條判斷框架梁和過(guò)度層墻體是否符合墻梁的一般規(guī)定,對(duì)符合規(guī)定的框架梁和框支墻體按墻梁設(shè)計(jì),對(duì)不符合規(guī)定的框架梁或框支墻體不考慮墻梁作用,在不滿足墻梁的條件下,程序按折減去處理,但一般不考慮框架柱的邊框作用。

4 做好防治措施

在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(G B50011— 2001)中對(duì)“抗震措施”與“抗震構(gòu)造措施”有不同的定義?？拐鸫胧?規(guī)范2.1.9條):除地震作用計(jì)算和抗力計(jì)算以外的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容,包括抗震構(gòu)造措施?？拐饦?gòu)造措施(規(guī)范 2.1.10條):根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)原則,一般不需計(jì)算而對(duì)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)各部分必須采取的各種細(xì)部要求。

在經(jīng)抗震設(shè)計(jì)房屋中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋的震害相對(duì)較輕,底框架砌體結(jié)構(gòu)房屋和砌體結(jié)構(gòu)房屋次之;中高層建筑和低層建筑的震害比多層建筑輕;鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施和各項(xiàng)計(jì)算調(diào)整系數(shù)均與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)相聯(lián)系,前兩者一個(gè)是抗震構(gòu)造措施,另一個(gè)是計(jì)算系數(shù),也就是在抗震等級(jí)和抗震構(gòu)造措施不同時(shí),如何確定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)。

對(duì)于底層框架抗震墻的磚房,底層框架抗震墻和上部磚房部分均具有一定的抗震能力,但這兩部分不同承重和抗側(cè)力體系之間的抗震性能是有差異的,而且其過(guò)渡樓層的受力也比較復(fù)雜。為了使這類房屋的抗震設(shè)計(jì)滿足“小震不壞”、“中震可修”和“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo),其防治措施可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮:

(1)抗震構(gòu)造柱布置不當(dāng)。如外墻轉(zhuǎn)角處,大廳四角未設(shè)構(gòu)造柱或構(gòu)造柱不成對(duì)設(shè)置;以構(gòu)造柱代替磚墻承重;山墻與縱墻交接處不設(shè)抗震構(gòu)造柱;過(guò)多設(shè)置抗震構(gòu)造柱等。

(2)框架結(jié)構(gòu)砌體填充墻抗震構(gòu)造措施不到位。砌體外圍護(hù)墻砌筑在框架柱外又沒(méi)有設(shè)置抗震構(gòu)造柱,框架間砌體填充墻高度長(zhǎng)度超過(guò)規(guī)范規(guī)定要求又沒(méi)有采取相應(yīng)構(gòu)造措施。

(3)還有的底框和內(nèi)框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設(shè)計(jì),其中幾乎很少有縱墻。不少地方都采用鋼筋混凝土內(nèi)柱來(lái)承重以代替磚墻承重,實(shí)際上將磚混結(jié)構(gòu)演變?yōu)閮?nèi)框架結(jié)構(gòu),這比底框磚房還不利,因內(nèi)框磚房的層數(shù)、總高度控制比底框磚房更嚴(yán),因此存在著嚴(yán)重抗震隱患。

(4)對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),當(dāng)框架柱和框架梁邊緣對(duì)齊時(shí),一般將柱主筋放置在最外側(cè),梁縱向鋼筋緊貼著柱最外側(cè)主筋,從內(nèi)側(cè)穿過(guò)。而對(duì)于多層砌體房屋,為了使圈梁充分發(fā)揮其對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的約束作用,當(dāng)構(gòu)造柱與圈梁邊緣對(duì)齊時(shí),一般將圈梁的縱向鋼筋放置在最外側(cè),構(gòu)造柱主筋從圈梁縱向鋼筋內(nèi)側(cè)穿過(guò)。

(5)在鋼筋的搭接區(qū)范圍的箍筋間距需要加密,這是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造要求。對(duì)于構(gòu)造柱在縱向鋼筋搭接區(qū)的箍筋也應(yīng)加密。

(6)墻體局部尺寸限值。在抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)此有專門的限制性規(guī)定,這是從宏觀上保證砌體房屋安全度的有效措施。但發(fā)現(xiàn)有承重窗間墻最小寬度<1.0m(六度設(shè)防);承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離<1.0m;非承重墻外墻盡端至門窗洞邊的最小距離 <1.0m,甚至只有幾十厘米等情況,片面追求開(kāi)敞明亮卻忽視了房屋的抗震安全。

(7)剪力墻布置方式?？蚣艚Y(jié)構(gòu)剪力墻布置有 8字方針,即“周邊,均勻,對(duì)稱,相交”。底框結(jié)構(gòu)中山墻一般要布置剪力墻,因?yàn)橹辉诿總€(gè)住宅單元樓梯間兩側(cè)布置混凝土剪力墻的底框結(jié)構(gòu)是不宜采用的。

(8)通過(guò)對(duì)汶川地震的建筑震害調(diào)查,得到以下經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn):砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能需要嚴(yán)格的構(gòu)造措施和施工質(zhì)量給予保證,包括合理設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁、預(yù)制樓板的有效拉結(jié)和擱置長(zhǎng)度或增加現(xiàn)澆層等,最好采用現(xiàn)澆樓蓋,特別是應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造柱和承重墻的安全儲(chǔ)備,否則這種結(jié)構(gòu)形式極易在地震中發(fā)生嚴(yán)重破壞。

[1] G B50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[2] G B50011-2001建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3] G B50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4] 張敏政.汶川地震中都江堰市的房屋震害[J].地震工程與工程振動(dòng),2008(3)

[5] 葉列平,陸新征.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008(4)

[6] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示 -抗震概念設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2008(4)