底部框架—抗震墻砌體房屋的抗震設計

陳安妮　王麗婭　蘭波

摘要：底部框架-抗震墻砌體房屋是早期避免商業(yè)過分集中和舊城改造而采用的較好結構形式。由于建筑使用功能的需要，臨街的建筑在底部設置商店、餐廳，學校的學生宿舍底部需設置大空間的自行車庫等，而上部各層為住宅、學生宿舍，這些建筑采用了底部一層或二層為框架-抗震墻、上部為砌體墻承重的結構形式，由于該結構形式性價比較高，且具有比多層鋼筋混凝土框架結構造價低和便于施工等優(yōu)點，對于欠發(fā)達地區(qū)及中小型城鎮(zhèn)，這類結構在經(jīng)濟方面具有一定的優(yōu)勢及現(xiàn)實意義。本篇文章筆者根據(jù)多年來對底部框架-抗震墻砌體房屋的設計，對該類結構的抗震性能分析、結構體系要求、抗震設計及抗震構造措施進行了詳細的介紹。

關鍵詞：底部框架-抗震墻；抗震性能；結構體系；抗震設計；抗震構造措施

1.前言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，在農(nóng)村城鎮(zhèn)化及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化的過程中，底部框架-抗震墻結構砌體房屋仍在繼續(xù)興建。由于該類房屋上、下采用了不同材料和結構形式組成的復合結構，對于抗震性能是不利的。在歷次的地震震害中，特別是汶川大地震中，其震害是較為嚴重的。

根據(jù)該類房屋的特點，結合試驗研究、理論分析和工程實踐經(jīng)驗，在底部框架-抗震墻砌體房屋的設計中應重點解決結構體系、薄弱層和過渡層、抗震能力匹配性和增強房屋整體抗震能力的合理設計，確保設計滿足“小震”不壞，設防烈度可修和“大震”不倒的抗震設防目標。

2.底部框架-抗震墻砌體房屋的抗震性能分析

底部框架-抗震墻砌體房屋結構的底部設置了足夠數(shù)量的抗震墻，其底部有較大的側向剛度，水平地震作用下的側向變形得到有效控制。上部砌體房屋具有較大的抗側力剛度和一定的承載能力，但耗能和變形能力相對較差。越靠近底部的砌體墻體所需承受的地震剪力越大，故底部框架層上方的過渡樓層墻體比較容易在地震中發(fā)生剪切破壞。據(jù)近十幾年來對這類結構的一系列試驗分析和研究，并結合大量的工程經(jīng)驗，得出這類結構的抗震能力主要取決于底部框架-抗震墻、過渡層及過渡層以上各層砌體的能力。過渡層受力比較復雜，擔負著傳遞上部的地震剪力和傾覆力矩的作用，同時受底部框架-抗震墻的彎曲變形影響，致使過渡層側移增大，使縱向墻體容易產(chǎn)生水平裂縫。因此，從抗震設計的原則和概念出發(fā)，應解決該類房屋的抗震能力的合理設計，采用足夠的抗震構造措施，確保房屋的安全穩(wěn)定。

3.底部框架-抗震墻砌體房屋的抗震設計

3.1抗震性能應均勻匹配

底部框架-抗震墻砌體房屋是由兩種承重和抗側力體系構成的結構，具有與同一種抗側力體系構成的房屋不同的受力變形和薄弱樓層判別的特點。這類房屋的底部與上部結構的抗震性能宜均勻匹配，必須避免出現(xiàn)特別薄弱的樓層。這類房屋結構的抗震能力不僅取決于底部框架一抗震墻和上部砌體各自的抗震能力，而且還取決于兩者之間抗震能力的匹配程度，即不能有一部分太弱。抗震墻部分具有較好的變形能力和耗能能力，在地震力作用下不致于發(fā)生集中的嚴重的脆性破壞，而上部砌體部分的變形能力和耗能能力比較差，在地震力作用下若出現(xiàn)薄弱樓層，將會產(chǎn)生集中的嚴重的脆性破壞，因此該類結構的抗震設計應解決好房屋下部與上部結構的抗震性能力匹配性。

3.2結構體系的要求

抗震結構體系要求傳力合理，傳力路線不間斷，且受力明確，使結構的抗震分析與在地震時實際反應更加相符合，是布置結構抗側力體系時首先要考慮的條件之一。

3.2.1底部抗震墻布置

底部框架-抗震墻結構的底部受力比較復雜，而底部的嚴重破壞將危及整個房屋的安全，加上地震傾覆力矩對框架柱產(chǎn)生的附加軸力使得框架柱的變形能力有所降低，因此對底部抗震墻的設置要求較高，在底層或底部兩層均應沿縱橫兩個方向設置一定數(shù)量的抗震墻，加強底部的剛度，使底部形成具有兩道防線的框架-抗震墻體系，抗震墻應布置在上部砌體結構有砌體抗震墻軸線處，并應是貫通底部兩層，沿兩個主軸方向均勻對稱布置，防止扭轉影響。抗震墻的間距不能過大。為了增強鋼筋混凝土抗震墻的極限承載力和變形耗能能力、利用墻板的穩(wěn)定，應把鋼筋混凝土抗震墻設計成帶邊框的鋼筋混凝土墻，以保證抗震墻破壞后，周邊的梁和邊框柱仍能承受豎向荷載。底部抗震墻的布置還應使過渡層與其下層的側向剛度接近，并保證過渡層的剛度大于其下層剛度。底部為一層框架-抗震墻砌體房屋時，第二層計入構造柱影響的側向剛度與底層的側向剛度比值，Ⅵ度、Ⅶ度時不應大于2.5，Ⅷ度時不應大于2.0，且均不得小于1.0；底部兩層框架-抗震墻砌體房屋時，第三層計入構造柱影響的側向剛度與底部第二層側向剛度比值，Ⅵ度、Ⅶ度時不應大于2.0，Ⅷ度時不應大于1.5，且均不得小于1.0。避免結構出現(xiàn)薄弱層。

3.2.2底部框架的布置

底部框架-抗震墻砌體結構屬于抗震性能相對較弱的結構體系，底部應采用雙向現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架，且不應采用單跨。底部框架柱的柱距不宜過大，宜小于等于7.5m，以保證底部具有足夠的側向剛度，同時易于上部砌體墻與底部框架梁或抗震墻的邊框梁對齊，減少次梁托墻的二次轉換。支承上部砌體承重墻的托墻梁宜為底部框架梁。

3.2.3上部砌體房屋部分的結構體系和建筑布置

（1）上部砌體房屋優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結構體系，不應采用砌體墻和混凝土墻混合承重的結構體系。如僅采用縱向墻承重體系時，因橫向支承較少，縱墻易受彎曲破壞而導致倒塌，故不宜采用該結構布置方案?；炷翂推鲶w墻混合承重的結構體系其受力復雜，混凝土墻的剛度大，應力集中，不同材料的墻體受力后易各個擊破。對于上下部分為不同材料、不同結構體系的底框一抗震墻砌體房屋更應避免采用。

（2）上部砌體房屋的縱橫墻應均勻對稱布置，沿平面內(nèi)宜對齊，使各墻體受力均勻，避免出現(xiàn)較弱的部位破壞，沿豎向應上下連續(xù)，內(nèi)縱墻不宜錯位，保證結構體系傳力合理及傳力路線的不間斷，且縱橫墻的數(shù)量不宜相差過大。房屋在寬度方向的中部應設置內(nèi)縱墻，其累計長度不宜小于房屋總長度的60%。同一軸線上的窗間墻寬度宜均勻，墻面洞口面積，Ⅵ度、Ⅶ度時不宜大于墻面總面積的55%，Ⅷ度時不宜大于50%。

3.2.4樓梯間的布置

上部砌體房屋的樓梯間墻體缺少各層樓板的雙側側向支承，尤其是樓梯間頂層，墻體有一層半樓層的高度，地震中震害較為嚴重，因此，在樓梯間建筑布置時樓梯間應盡量不設在盡端。樓梯間宜設置抗震墻以形成安全通道，但不宜造成較大的扭轉效應。房屋轉角窗嚴重削弱縱橫向墻體在角部的連接。局部破壞嚴重，必須避免采用。

3.2.5底部抗震墻的基礎

底部抗震墻承受相當大的地震剪力、彎矩和傾覆力矩，因此其基礎應具有良好的整體性和較強的抗轉動能力，防止當?shù)鼗凛^弱、基礎剛度和整體性較差時，地震作用下抗震墻基礎產(chǎn)生較大轉動而使抗震墻的側向剛度降低，對構件內(nèi)力和位移產(chǎn)生不利影響，因此應設置整體性及抗轉動能力較強的條形基礎、筏形基礎。

3.3水平地震作用和作用效應

3.3.1地震作用計算

對于平、立面布置規(guī)則，質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構，可采用底部剪力法，其余情況可采用振型分解反應譜法。采用振型分解反應譜法時，應取足夠的振型數(shù)。

3.3.2地震作用效應調整

根據(jù)底部框架-抗震墻砌體房屋的地震反應，實際并未因底部的剛度小于過渡層而在底部出現(xiàn)增大的反應，為防止因底部嚴重破壞而導致房屋的整體跨塌，減少底部的薄弱程度，規(guī)范對底部剪力設計值進行增大調整以增強底部的抗震承載能力。增大系數(shù)根據(jù)過渡樓層與其下相鄰樓層的側向剛度比值用線性插值法近似確定，可在1.0-1.5范圍選用，側向剛度比越大增加越高，當過渡層與其下相鄰樓層的側向剛度比在1.0-1.3之間時，底部的地震剪力值可不作增大調整。

3.3.3地震剪力分配

水平地震剪力根據(jù)對應的框架-抗震墻結構中各構件的側向剛度比，符合多道抗震設防的原則進行分配：

（1）抗震墻作為底部第一道防線的抗震墻，其具有較好的承載能力，故底層或底部兩層縱向和橫向地震剪力設計值均全部由該方向的抗震墻承擔，并按各抗震墻的側向剛度比例進行分配。

（2）框架

在地震作用下，底部抗震墻開裂，抗震墻開裂后將產(chǎn)生彈塑性內(nèi)力重分布。底部框架作為第二道防線，對提高房屋的整體抗震能力起著很重要的作用。因此，可按底部框架和抗震墻的有效側向剛度比例進行分配框架承受的地震剪力設計值。有效側向剛度的取值，框架不折減，混凝土抗震墻或配筋的砌體抗震墻可乘以折減系數(shù)0.3，約束普通磚砌體或小砌塊砌體抗震墻可乘折減系數(shù)0.2。

（3）上部砌體部分

①現(xiàn)澆和裝配整體式鋼筋混凝土樓、屋蓋等剛性樓蓋建筑，按抗側力構件側向剛度的比例分配。

②采用普通預制板的裝配式鋼筋混凝土樓、屋蓋的建筑，按抗側力構件側向剛度比例和從屬面積上重力荷載代表值比例的平均值分配。

3.4主要抗震構造措施

3.4.1框架柱截面

底部框架-抗震墻砌體房屋的底部框架受力復雜，具有承受上部砌體房屋傳遞的豎向荷載、地震傾覆力矩和水平地震剪力等作用，框架柱截面應有一定剛度，矩形截面的各邊邊長均不應小于400mm，圓形柱載面的直徑不應小于450mm，箍筋直徑，Ⅵ、Ⅶ度時不應小于8mm，Ⅷ度時不小于10mm，并應全高加密箍筋，間距不大于100mm。

3.4.2軸壓比

軸壓比的控制接近框支柱的有關要求，抗震等級為一、二、三級時分別不宜超過0.65、0.75、0.85。

3.4.3托墻梁

（1）梁載面寬度不應小于300mm，截面高度不應小于跨度的1/10。

（2）箍筋直徑不應小于8mm，間距不應大于200mm，梁端在1.5倍梁高且不小于1/5梁凈跨范圍內(nèi)，以及上部墻體的洞口處和洞口兩側各500mm，且不小于梁高的范圍內(nèi)，箍筋間距不應大于100mm。

（3）梁的縱向受力鋼筋和腰筋應按受拉鋼筋的要求錨固在柱內(nèi)，且支座上部的縱向鋼筋在柱內(nèi)的錨固長度應符合鋼筋混凝土框支梁的有關要求。

3.4.4抗震墻

（1）抗震墻墻板周邊應設置梁（暗梁）和端柱組成的邊框。

（2）抗震墻墻板的厚度不宜小于160mm，且不應小于墻板凈高的1/20。

3.4.5過渡層底板

板厚不應小于120mm，并應少開洞、開小洞，當洞口尺寸大于800mm時，洞口周邊應設置邊梁。

3.4.6上部砌體房屋構造措施

（1）構造柱設置：構造柱有利于提高房屋在地震時的抗倒塌能力，構造柱對于墻體的約束作用，主要是依靠與各層墻體的圈梁或現(xiàn)澆板的整體連接來實現(xiàn)，因此構造柱設置的部位及要求應滿足相關規(guī)范要求，特別是過渡層構造柱的設置要求更應嚴格。

（2）圈梁設置：圈梁能增強房屋的整體性，提高房屋的抗震能力，是抗震的有效措施，圈梁的設置及要求應滿足相關規(guī)范要求。

4.結語

底部框架-抗震墻砌體房屋是我國現(xiàn)階段經(jīng)濟條件下特有的一種結構，地震震害表明，該類房屋設計不合理，其底部可能發(fā)生變形集中、出現(xiàn)較大的側移而破壞。如前所述，該類房屋的設計，應綜合考慮上下部不同結構類型的抗震設計，除結構各部分滿足承載力、變形能力及構造要求外，還要注意上下部結構的抗震性能相匹配，不能有一部分過弱，避免上部砌體房屋出現(xiàn)薄弱樓層。因此，底部框架-抗震墻砌體房屋的設計應綜合考慮各種不利因素的影響，特別是對地震作用計算、結構布置及構造措施等這幾方面的抗震設計更應引起足夠的重視。

參考文獻

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[2]《底部框架-抗震墻砌體房屋抗震技術規(guī)程》（JGJ248-2012）.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]黃世敏，楊沈.建筑震害與設計對策，北京：中國計劃出版社，2009.

收稿日期：2013-4-10

作者簡介：陳安妮，女，大學本科，工業(yè)與民用建筑專業(yè)，高級工程師，國家一級注冊結構工程師，現(xiàn)任院結構副總工程師，所設計的工程多項獲得國家、省級優(yōu)秀工程設計獎，1986年至今在桂林市建筑設計研究院從事結構設計與施工圖審查。

王麗婭，女，大學本科，工業(yè)與民用建筑專業(yè)，高級工程師，國家一級注冊結構工程師，從事建筑結構設計及審圖工作30年，獲得過多項省級優(yōu)秀工程設計獎。

蘭波，女，副總建筑師，國家一級注冊建筑師，高級建筑師，本科，建筑學專業(yè)，現(xiàn)從事建筑設計，施工圖審查工作。1982至今在桂林市建筑設計研究院工作，其問，1993年任建筑師，1998年任高級建筑師，所設計的工程多項獲得省級優(yōu)秀工程設計獎及入選中青年建筑師作品集。