底框結(jié)構(gòu)的抗震能力分析

亢元元 胡希冀

底部框架房屋主要是指底部采用鋼筋混凝土框架的多層磚房,其特點(diǎn)是:這種結(jié)構(gòu)整體抗震性能差,主要是底部的承重構(gòu)件是鋼筋混凝土柔性框架,上部是磚墻承重的剛性多層磚房,底部的抗側(cè)移剛度比上部磚房要小得多,底部柔,上部剛,剛度的急劇變化使得房屋在地震作用下的側(cè)移集中發(fā)生在底層,而上部各層的位移較小,遇到地震時(shí)若設(shè)計(jì)處理不當(dāng),最容易引起底部的嚴(yán)重破壞,從而危及整個(gè)房屋的安全。

底框結(jié)構(gòu)是我國(guó)現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)條件下所特有的一種結(jié)構(gòu),從抗震上來(lái)說(shuō),它是一種不合理的結(jié)構(gòu)形式,但由于我國(guó)當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有限,這種結(jié)構(gòu)目前還無(wú)法完全摒棄,因此在我國(guó)內(nèi)地,尤其是廣大西北部地區(qū)的臨街建筑中仍廣泛采用。由于底部框架抗震墻磚房是由鋼筋混凝土框架抗震墻和上部磚房?jī)煞N承重體系和抗側(cè)力體系構(gòu)成,而由于這兩種抗側(cè)力體系在抗震性能等方面的差異,使得這類結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)選型與抗震設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。臨街建筑采用這類結(jié)構(gòu),底部臨街一側(cè)由于使用及美觀的要求,常不設(shè)置抗震墻或所設(shè)置的抗震墻的數(shù)量較少,而另一側(cè)所設(shè)置的抗震墻的數(shù)量則較多,造成結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛度中心不一致,地震時(shí)易引起較為嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),加劇了地震的破壞作用。

1 底框結(jié)構(gòu)的抗震能力分析

底部框架—抗震墻砌體房屋是由底層或底部?jī)蓪訛榭蚣芸拐饓?、上部為多層砌體房屋構(gòu)成的。這類房屋的底部框架—抗震墻結(jié)構(gòu)部分具有一定的抗側(cè)力剛度和一定的承載能力、變形能力及耗能能力;上部多層砌體房屋具有較大的抗側(cè)移剛度和一定的承載能力,但變形和耗能能力相對(duì)較差,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。這種結(jié)構(gòu)的整體抗震能力取決于底部和上部各自的抗震能力,又取決于底部和上部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度和抗震能力的相互大小程度,也就是說(shuō)不能存在特別薄弱的樓層,凡震害比較嚴(yán)重的部位,均是由于抗震設(shè)計(jì)考慮不周而出現(xiàn)的相對(duì)薄弱的樓層。因此,盡量避免薄弱樓層是底部框架—抗震墻砌體房屋抗震設(shè)計(jì)中的一個(gè)相當(dāng)重要的概念。震害調(diào)查表明底框抗震砌體房屋的倒塌是由薄弱層開(kāi)始的,從分析研究可以看出,底層抗震墻布置不足的底框抗震砌體房屋,底層是薄弱層;而當(dāng)?shù)讓涌拐饓υO(shè)置過(guò)多時(shí),則第二層為薄弱層。

底部框架結(jié)構(gòu)與上部磚混結(jié)構(gòu)的剛度相比是底框抗震墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵問(wèn)題。若底部框架結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)于上部磚混結(jié)構(gòu)的剛度比較大,整個(gè)結(jié)構(gòu)形成下剛上柔的結(jié)構(gòu)體系能較好地抵抗地震作用,是比較理想的結(jié)構(gòu)體系;但下部剛度太大意味著下部框架結(jié)構(gòu)中的抗震墻數(shù)量較多或者柱子的截面較大,這樣既影響了建筑空間的利用又增加了工程的造價(jià)。

底部框架結(jié)構(gòu)的薄弱層與抗震墻數(shù)量的多少有很大的關(guān)系。合理的抗震墻數(shù)量應(yīng)該是底部框架—抗震墻磚房結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)較為均勻,同時(shí)避免底層過(guò)強(qiáng)使得薄弱樓層轉(zhuǎn)移到抗震性能較差的上部磚房部分;應(yīng)該使房屋的薄弱部位出現(xiàn)在變形和耗能能力都較好的底部框剪層,又可避免框剪層變形過(guò)分集中,從而提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。而抗震墻的數(shù)量的確定與很多因素有關(guān),如層剛度比、抗震墻設(shè)置的間距、框剪層與相鄰磚砌體層的彈塑性位移的比值、抗震墻的布置形式等。

2 實(shí)例分析

本文按照我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》所提出的“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準(zhǔn)抗震性能,通過(guò)應(yīng)用由中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)研制的PKPM結(jié)構(gòu)系列軟件對(duì)某地區(qū)一商住綜合樓進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抗震性能分析。此商住綜合樓為底部框架結(jié)構(gòu),共6層,底部1層,2層為混凝土框架,3層～6層為磚混結(jié)構(gòu)。圖1為底層平面示意圖,柱截面尺寸為550 mm×550 mm,梁截面尺寸橫向?yàn)?00 mm×600 mm,縱向尺寸為300 mm×600 mm,底部?jī)蓪涌拐饓駷?50 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,3層以上砌體層磚強(qiáng)度等級(jí)為MU10,砂漿強(qiáng)度等級(jí)為M7.5,層剛度比為1.57。采用PKPM結(jié)構(gòu)分析程序輸入El-centro地震波對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性動(dòng)力時(shí)程分析,圖2～圖5為計(jì)算分析結(jié)果。

由圖2～圖5的計(jì)算分析結(jié)果可以看出:

1)樓層位移和樓層力基本呈倒三角形分布,且樓層位移和層間位移都很小,底部的層間位移角最大為1/1 457,結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài),基本可以保證“小震不倒”的性能要求;2)當(dāng)?shù)撞靠蚣転閮蓪訒r(shí),薄弱層往往在第二層框架。

3 結(jié)語(yǔ)

1)只要經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì),底框結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震設(shè)防要求;2)在本文算例中,把薄弱層控制在第二層框架,這說(shuō)明當(dāng)?shù)撞靠蚣転閮蓪訒r(shí),薄弱層往往在第二層框架;3)底框結(jié)構(gòu)的薄弱層一般為框剪層,所以控制好框剪層的受力和變形對(duì)于底框結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是極其重要的。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]趙玉琴.房屋的抗震設(shè)防措施[J].山西建筑,2007,33(22):75-76.