底部框架砌體結(jié)構(gòu)抗震及加固措施的研究

胡宗臣， 張紅亞

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

我國是一個多發(fā)地震國家，特別是在近年來發(fā)生的汶川、雅安地震等，地震給人們帶來了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡［1～2］。根據(jù)震害統(tǒng)計(jì):底部框架砌體結(jié)構(gòu)是一類受損最為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)。底部框架砌體結(jié)構(gòu)大都建造于早期，由于年久失修加上本身抗震性能比較差，因此這類結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞相當(dāng)嚴(yán)重。近年來，特別是汶川地震發(fā)生以后，我國對某些地區(qū)的抗震設(shè)防烈度做出了相應(yīng)的調(diào)整，那么已建的底部框架砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度將不再符合現(xiàn)有的規(guī)范要求，因此對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震加固研究是很有必要的［3］。

1 底部框架砌體結(jié)構(gòu)破壞特性

底部框架砌體結(jié)構(gòu)是由鋼筋混凝土和砌塊兩種不同材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)［4］。這類結(jié)構(gòu)由于上部砌體整體抗側(cè)移剛度較大，而下部框架整體抗側(cè)移剛度較小，因此呈現(xiàn)出“頭重腳輕”、“上剛下柔”的鴨腿式特性。同時該結(jié)構(gòu)由于上下剛度相差很大表現(xiàn)出豎向不規(guī)則特性，因此這類結(jié)構(gòu)在地震作用下上部砌體和下部框架的受力以及產(chǎn)生的位移往往相差很大，將不再符合設(shè)計(jì)規(guī)范限值［5］。除此之外，這類結(jié)構(gòu)由于剛心和質(zhì)心嚴(yán)重不重合，使得底部產(chǎn)生較大的側(cè)移變形，底部柔性框架易于遭受扭曲破壞［6］。綜上所述，在底部框架砌體結(jié)構(gòu)中，底部框架是其相對薄弱環(huán)節(jié)，且在地震作用下極易受到破壞。

2 工程實(shí)例和建模分析

2．1 建筑結(jié)構(gòu)概況

本文選擇某五層底部框架砌體結(jié)構(gòu)房屋，底部一層為門面商鋪，二～五層為住宅。該建筑抗震設(shè)防類別丙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類。底部一層框架結(jié)構(gòu)層高4．2m，二～五層層高3m，室內(nèi)外高差0．3m，屋面女兒墻0．5m，建筑物總高16．5m。底部框架柱和框架梁混凝土強(qiáng)度等級取C30，上部砌體結(jié)構(gòu)圈梁和構(gòu)造柱混凝土強(qiáng)度等級為C20、樓板為C30。材料:二～五層砌體選用MU10砂漿選用M5混合砂漿，鋼筋選用HRB335級。底部框架柱截面取400mm×400mm，框架梁截面取250×500mm，所有構(gòu)造柱取240mm×190mm，圈梁240mm×180mm，過渡層樓板取120mm，其余樓板為100mm厚，砌體墻體厚190mm，窗洞尺寸1200mm×1500mm，門洞尺寸1200mm×2100mm。根據(jù)規(guī)范［7］:恒載標(biāo)準(zhǔn)值樓蓋取4．0km／m2（包括結(jié)構(gòu)層、找平層、面磚等），屋蓋取6．0km／m2（包括結(jié)構(gòu)層，找平層，找坡層，屋面防水層，隔熱層等）?；詈奢d標(biāo)準(zhǔn)值樓蓋取2．0km／m2，屋蓋0．5km／m2（屋面為不上人屋面）。建筑平面及立面圖如圖1，材料物理參數(shù)如表1。

圖1 建筑平面及立面圖

表1 材料物理參數(shù)表

2．2 建立模型

本文采用有限元軟件SAP2000［8］建立三維整體模型。在建立模型當(dāng)中，框架梁、框架柱采用空間梁單元模擬，樓板和砌體墻體采用殼單元模擬［9］。為了滿足計(jì)算精度要求，單元劃分應(yīng)盡量合理，同時要注意不同單元在公共節(jié)點(diǎn)的連接，框架柱與基礎(chǔ)連接采用固結(jié)，梁和柱采用剛接。整體模型見圖2。

圖2 SAP2000模型圖

2．3 原有結(jié)構(gòu)分析

原有建筑在抗震設(shè)防烈度為7度多遇地震作用下，基本地震加速度取α＝0．15g，特征周期Tg＝0．35s，該建筑x方向和y方向樓層最大位移、最大層間位移、最大層間位移角見表2和表3。

表2 原有結(jié)構(gòu)x方向地震變形

表3 原有結(jié)構(gòu)y方向地震變形

根據(jù)最新抗震規(guī)范［10］，房屋結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的抗震變形驗(yàn)算，其樓層最大彈性層間位移應(yīng)符合下式要求:

式（1）中:Δue為多遇地震作用下標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的樓層內(nèi)最大的彈性層間位移；θe為彈性層間位移角限制；h為計(jì)算樓層層高。

該結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值取1／1000，層間位移最大限值為4．2mm。從表2、表3可以看出:結(jié)構(gòu)層間位移最大值均發(fā)生在第一層，x方向最大層間位移為10．7mm，y方向最大層間位移為10．9mm，均大于4．2mm不滿足規(guī)范要求；結(jié)構(gòu)最大層間位移角也發(fā)生在結(jié)構(gòu)的最底層，x方向?yàn)?．00256，y方向?yàn)?．00260，均大于0．001也不滿足規(guī)范。

2．4 原有結(jié)構(gòu)存在的缺陷

根據(jù)最新規(guī)范［10］:原有結(jié)構(gòu)在縱橫兩個方向均無考慮抗震墻，樓層上部砌體剛度較大，下部框架剛度較小，整個樓層在豎向方向剛度不均勻，表現(xiàn)豎向不規(guī)則特性。這類結(jié)構(gòu)在地震作用下底部產(chǎn)生的位移較大，從而不滿足規(guī)范要求，因此應(yīng)對底部框架部分采取加固處理。

3 加固及分析

3．1 加固布置

方案一:對原有結(jié)構(gòu)框架梁截面的高度增大100mm。

方案二:對原有結(jié)構(gòu)縱橫方向增加190mm厚鋼筋混凝土抗震墻。

兩種方案結(jié)構(gòu)布置見圖3。

圖3 各加固方案結(jié)構(gòu)布置圖

3．2 加固處理后結(jié)構(gòu)抗震分析

原有建筑經(jīng)過兩種不同加固方案處理后，x方向和y方向的地震變形分別見表4、表5、表6和表7。樓層最大位移對比見圖4，層間位移對比見圖5。

表4 方案一x方向地震變形

表5 方案一y方向地震變形

表6 方案二x方向地震變形

表7 方案二y方向地震變形

圖4 層最大位移對比

圖5 層間位移對比

從圖4可以看出，隨著樓層層數(shù)的增加x方向和y方向?qū)幼畲笪灰贫荚龃螅渲蟹桨敢粁方向樓層位移減小了34%，y方向樓層位移減小了31%，方案二x方向樓層位移減小了86%，y方向樓層位移減小了85%。通過分析可知:通過增加梁的截面高度和增設(shè)混凝土抗震墻均能減小樓層位移，其中通過增設(shè)抗震墻樓層位移減小的幅度更大。從圖5可以看出隨著樓層層數(shù)的增加樓層x方向和y方向?qū)娱g位移均減小，其中方案一底部樓層層間位移x方向和y方向分別減小了44%、43%，方案二底部樓層層間位移x方向和y方向分別減小了95%、94%。原方案和方案一結(jié)構(gòu)底部層間位移較大，方案二結(jié)構(gòu)底部層間位移較小且各樓層層間位移相差不大，變化均勻。方案一樓層x方向和y方向?qū)娱g位移最大值分別為6．06mm、6．15mm，樓層x方向和y方向?qū)娱g位移角最大值分別為0．0014、0．00145。方案二樓層x方向和y方向?qū)娱g位移最大值分別為0．54mm、0．67mm，樓層x方向和y方向?qū)娱g位移角最大值分別為0．00013、0．00016。根據(jù)規(guī)范［10］:該結(jié)構(gòu)樓層層間位移最大限值為4．2mm，層間位移角最大值為1／1000。所以，方案一不滿足規(guī)范要求，方案二各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用SAP2000對原結(jié)構(gòu)、方案一、方案二的建模分析，通過比較樓層位移和層間位移可以對底部框架砌體結(jié)構(gòu)加固得出以下結(jié)論:

（1）通過增加框架梁的截面高度和在底部設(shè)置抗震墻均能提高底部框架的抗側(cè)移剛度，從而減小樓層位移。

（2）通過增加抗震墻要比增加框架梁截面高度在位移方面減小的幅度更大。

（3）底部框架砌體結(jié)構(gòu)房屋，底部框架部分是其薄弱層，通過增加梁截面高度來提高樓層抗側(cè)移剛度，樓層位移減小不明顯，且在豎向方向仍為不規(guī)則。增設(shè)抗震墻效果最佳，且能夠使結(jié)構(gòu)沿著豎向方向剛度均勻變化。

1 滕軍，李祚華．基于汶川震害分析的強(qiáng)地震作用下結(jié)構(gòu)地震累計(jì)損傷研究［J］．工程抗震與加固改造，2008，30（6）:25－30．

2 李英民，劉立平．汶川地震建筑震害與思考［M］．重慶:重慶大學(xué)出版社，2008．

3 熊立紅，高連軍．底框－砌體房屋抗震性能研究［J］．沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（7）:22－26．

4 劉蘭蘭．底部兩層框架－抗震墻磚房結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析［D］．成都:西南交通大學(xué)，2009．

5 孫志雄．底框磚混結(jié)構(gòu)抗震性能分析［D］．長沙:湖南大學(xué)，2011．

6 王剛，于德，成李雪．關(guān)于底部框架磚混結(jié)構(gòu)震害分析的反思［J］．山西建筑，2008，34（9）:36－42．

7 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009－2012）［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．

8 北京金土木軟件技術(shù)有限公司．SAP2000中文版實(shí)用指南（第二版）［M］．人民交通出版社．

9 李建亮，趙晶．結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時程分析的研究［J］．四川地震，2011，141（4）:26－28．

10 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011－2010）［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．