對小城鎮中底框結構設計的理解

單春明,盛壽鋼

(1.江蘇省鹽城建筑工程學校,江蘇鹽城 224006;

2.江蘇省鹽城同濟建筑市政設計院有限公司,江蘇鹽城 224006)

在小城鎮建設中,許多臨街的住宅建筑往往是需要在底部設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構,底部則采用框架及抗震墻而形成了底部框架-抗震墻結構,因其在使用上的方便性和靈活性及造價較純框架結構低而被廣泛采用。

1 選擇合理的結構形式

商住多層建筑近年來在中、小城市中很常見,即將一層作門市,然后在其上建造住宅的建筑。此種結構形式實際計算屬下柔上剛,對抗震極為不利,如果不加抗震墻,做成底層純框架而上部磚混的結構,在地震區將存在一些問題。如果其設計思路仍然沿用非地震區的設計思路,如遇地震災害,則大底盤建筑因結構上未設防或設防不當,其后果將變得非常嚴重。對于地震區需要抗震設防的多層商住建筑,底層為鋼筋混凝土框架的大空間商店,上部為小開間磚房或砌塊建筑。結構設計中需作縱橫兩方面的抗震驗算(包括承載力和變形),有的僅作了橫向底層框架的驗算,而縱向卻按一般連續梁計算。在構造上,有些設計忽視了在底層縱橫方向設置一定數量的抗震墻,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、下端箍筋沒有按規范要求進行加密時,其破壞就更加嚴重。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,而中間柱高度相對較高,從而使得梁的剛度較大,而按《建筑設計抗震規范》(G B50011-2001)要求,抗震結構體系中的混凝土構件,應避免剪切先于彎曲破壞,混凝土的壓潰先于鋼筋屈服,鋼筋錨固粘結先于構件破壞,因此違背了“強剪弱彎、強柱弱梁和強節點”的設計準則。

框架結構由現澆鋼筋混凝土框架梁、柱和板組成的結構支架,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度以上抗震結構和大空間結構。框剪結構是用框架承重、用剪力墻抗御側向力(地震、風力等)。磚混結構是混合結構的一種,是采用磚墻來承重,鋼筋混凝土梁柱板等構件構成的混合結構體系,適合開間進深較小,房間面積小,多層或低層的建筑。在相互比較上,框剪結構無論從抗震、穩定性、房屋堅韌性等都優于磚混結構。在防震中,框架和剪力墻成為房屋的“兩道防線”,增加了結構體系的剛度和強度,是個柔性結構。而磚混中砌體自重大,使砌體結構所承受的地震力也相對的增大,而且是由脆性材料組成,抗拉抗剪強度較差,延性差,抗變形能力小,砌體結構施工質量又難控制,很容易對結構破壞,是個剛性結構。框架的造價比磚混要高些。框架與磚混結構混建,由于二者變形能力不同,框架的地震力會傳給砌體,加重砌體的破壞。磚混結構的優點就是造價便宜,適合多層和低層的房屋,但現在其實很多多層或低層,包括兩三層的別墅都用上框架剪力結構了,更說明了人們重視生命安全的房屋承重結構體系,框剪體現了它的優點。

2 重視底框結構設計中的概念設計

底框結構具有“頭重腳輕”、上剛下柔的特點,為保證實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震原則,《建筑設計抗震規范》對底框結構底部框架層與上層剛度比做出了明確規定,其中底層框架,第二層與底層側向剛度比,6、7度時不應大于 2.5,8度不應大于 1.5,且均不應小于 1。底框結構設計中要注意做到這一點,有時需要反復計算,多次與建筑專業協調,結構設計中需要注意的問題:

2.1 建筑布置合理性

《抗規》第 3.4.2條明確規定“建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱,并應具有良好的整體性;建筑的立面和豎向剖面宜規則,結構的側向剛度宜均勻變化,豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減少,避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變”。但在實際工作中,建筑布置的合理性往往被忽視。目前的一些建筑設計,由于仍沿襲不設防時的設計思路,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凸出,導致各部分質量極不均勻,建筑物外縱墻多處被人為割斷,嚴重影響抗震剛度。此外,在立面上又設置了許多不利于抗震的裝飾物,如某公寓女兒墻竟高達 3m以上。如果上述問題解決得不好,抗震設防問題就會越積越多,一旦發生大地震,代價將會十分慘重。

2.2 合理設置抗震墻

結構設計人員要及早介入建筑方案與初步設計,并和建筑工種與建設單位反復協商,在不影響或少影響功能的前提下,使縱橫外墻、室內分隔墻等盡量對稱,并均勻地在縱橫兩個方向設置一定數量的抗震墻,使上層與底層的縱橫向側移剛度比,能夠滿足規范要求。根據《砌體結構設計規范》(G B 50003-2001)條文說明,底層設置一定數量抗震墻的框支墻梁房屋模型振動臺試驗表明,其抗震性能不僅不比同樣層數的多層房屋低,甚至還要好些。所以,在底框結構中合理設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,《建筑抗震設計規范》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齊或基本對齊,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。托墻的次梁應按第 3.4.3條考慮地震作用的計算和內力調整。建議盡量采用上部結構減少抗震墻數量的方案,即在無法對齊處設置次梁支承非抗震隔墻以避免次梁托抗震墻的方法。

2.4 仔細理解規范的要求

上面幾層砌體結構,由于開間小、橫墻多,不僅重量大,側移剛度也大,而底層框架側移剛度比上層小得多。剛度的急劇變化使得在結構剛柔交接處,應力高度集中,在柱端產生塑性鉸,并使房屋的變形集中發生在相對薄弱的底層。這種比較薄弱的底層或中間層,可稱之為“軟層”,對于這種“軟層”在抗震設計中應引起足夠重視。

2.5 嚴格控制側移剛度比

底部框架-抗震墻房屋為了保證結構的安全,嚴格控制底層框架和上部砌體結構的側移剛度比,以免地震時底層框架部分的結構先于上部砌體部分破壞或破壞轉移至過渡層。若上部砌體部分采用多孔磚,側移剛度比的要求無變化,仍按抗震規范第 7.1.8條的要求執行。

2.6 滿足承載力計算要求

底部框架-抗震墻房屋進行設計時,所布置的抗震墻既要滿足側移剛度比限值的要求,又要滿足承載力計算的要求。經常遇到承載力驗算不滿足,增加抗震墻的數量或厚度,滿足了承載力驗算的要求,但側移剛度比限值又不滿足了的問題,解決的辦法主要是設置結構洞口,即采用在鋼筋混凝土抗震墻上設置洞口并采用輕質砌塊材料填實的方法,將抗震墻的剛度降低,在滿足承載力驗算的要求的同時符合側移剛度比限值的要求。

2.7 合理調整計算系數

國家標準《砌體結構設計規范》(G B50003-2001)中考慮了墻梁組合作用,底部框架 -抗震墻砌體結構的鋼筋混凝土托墻梁是否可以考慮共同作用對地震作用進行折減?從試驗室的試驗和有限元分析的結果看,墻梁組合的作用十分明顯,但其受力狀況也是非常復雜的,考慮到實際地震作用與試驗有偏差,大震時墻體嚴重開裂,托墻梁與非抗震的墻梁受力狀態有所差異,當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,若計算系數不變會導致不安全,應調整計算參數。從偏于安全和簡化計算方面考慮,抗震規范在第 7.2.5條的條文說明中給出了當托墻梁上部各層墻體不開洞和在跨中 1/3范圍內開一個洞口的情況下,彎矩計算的簡化、偏于安全的方法。對托墻梁剪力計算時,由重力荷載產生的剪力不折減。

2.8 吸取汶川地震經驗

2008年 5月汶川地震很多是強梁弱柱,很多都是柱子屈服折斷,導致坍塌,所以總的原則要遵循,由震害分析中大家都能得到一個結論,遵循抗震概念設計,震害出現的概率會減低。

3 建立正確的計算模型

底框計算到底用哪一種程序,怎么計算?筆者認為是P K,用S A T WE復核,復核內容主要是吊筋和附加箍筋。很多人說 P K偏大,的確是這樣的,但 S A WT E偏小。S A WT E看起來比較簡單適合新手用,屬于傻瓜型,P K不是很直觀,需要一些技術含量。底框是需要靠電腦,但是手算是必不可少的!一個結構單元內采用兩種不同的結構受力體系。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,這種情況常發現在平面縱軸與街道軸線相交的住宅,其底層為商店,設計成一半為底框磚房(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生突變,對抗震十分不利。

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構,對于具有薄弱底層的底層框架磚房,應考慮塑性變形集中的影響。另外,經分析知道提高軟層的屈服強度可以減少軟層塑性變形的集中。因此,底部剪力法對底層地震剪力要乘以一個1.2～1.5的增大系數。

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行,因為底層框架磚房只有底層是框架抗震墻,且底層還有塑性變形,所以要采取雙保險的辦法。對抗震墻要使其承擔全部剪力,對框架要按剛度比分配,不過要注意,在剛度計算時框架是按彈性計算的,而抗震墻開裂后剛度會退化。據有關試驗數據得知,其剛度將下降到彈性剛度的 20%～30%。

3.3 底層框架結構計算高度

底層框架結構的計算高度的取值應根據實際情況而定,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的地基梁,可以從嵌固處取,否則從基礎頂;抗震墻厚取 1/20層高,這里的層高與計算高度的概念不同,是指從一層地坪到一層樓板頂的高度。底層框架柱應考慮地震的傾復力矩引起的附加軸力。

3.4 鋼筋在柱內錨固長度

抗震規范第 7.5.4條 4款對底部框架 -抗震墻房屋的鋼筋混凝土托墻梁的上部縱向鋼筋在柱內的錨固長度按框支梁要求,因結構高度與鋼筋混凝土房屋相比較低,其框架柱的構造應符合 7.1.10條規定的抗震等級要求,框架柱上、下端彎矩的調整可參照框支柱的要求執行。

3.5 底框-抗震墻結構框架梁荷載的折減

當抗震設防烈度為 8度及以上時,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件計算。當 6、7度(0.1g、0.15g)時,上部荷載可考慮乘折減系數,此時托墻梁配筋與普通梁一樣按受彎構件計算,因此,輸入的折減系數不應太小,一般可輸入 0.7～0.9,但不應少于四層荷載值;也可將折減與墻梁同時勾選,程序根據砌體規范第 7.3.2條判斷框架梁和過度層墻體是否符合墻梁的一般規定,對符合規定的框架梁和框支墻體按墻梁設計,對不符合規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《建筑抗震設計規范》(G B50011— 2001)中對“抗震措施”與“抗震構造措施”有不同的定義。抗震措施(規范2.1.9條):除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容,包括抗震構造措施。抗震構造措施(規范 2.1.10條):根據抗震概念設計原則,一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。

在經抗震設計房屋中,鋼筋混凝土框架結構房屋的震害相對較輕,底框架砌體結構房屋和砌體結構房屋次之;中高層建筑和低層建筑的震害比多層建筑輕;鋼筋混凝土結構抗震構造措施和各項計算調整系數均與鋼筋混凝土結構的抗震等級相聯系,前兩者一個是抗震構造措施,另一個是計算系數,也就是在抗震等級和抗震構造措施不同時,如何確定鋼筋混凝土結構的抗震等級。

對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力體系之間的抗震性能是有差異的,而且其過渡樓層的受力也比較復雜。為了使這類房屋的抗震設計滿足“小震不壞”、“中震可修”和“大震不倒”的抗震設防目標,其防治措施可從以下幾個方面進行考慮:

(1)抗震構造柱布置不當。如外墻轉角處,大廳四角未設構造柱或構造柱不成對設置;以構造柱代替磚墻承重;山墻與縱墻交接處不設抗震構造柱;過多設置抗震構造柱等。

(2)框架結構砌體填充墻抗震構造措施不到位。砌體外圍護墻砌筑在框架柱外又沒有設置抗震構造柱,框架間砌體填充墻高度長度超過規范規定要求又沒有采取相應構造措施。

(3)還有的底框和內框砌體住宅采用大空間靈活隔斷設計,其中幾乎很少有縱墻。不少地方都采用鋼筋混凝土內柱來承重以代替磚墻承重,實際上將磚混結構演變為內框架結構,這比底框磚房還不利,因內框磚房的層數、總高度控制比底框磚房更嚴,因此存在著嚴重抗震隱患。

(4)對于鋼筋混凝土框架結構,當框架柱和框架梁邊緣對齊時,一般將柱主筋放置在最外側,梁縱向鋼筋緊貼著柱最外側主筋,從內側穿過。而對于多層砌體房屋,為了使圈梁充分發揮其對結構構件的約束作用,當構造柱與圈梁邊緣對齊時,一般將圈梁的縱向鋼筋放置在最外側,構造柱主筋從圈梁縱向鋼筋內側穿過。

(5)在鋼筋的搭接區范圍的箍筋間距需要加密,這是混凝土結構構件的構造要求。對于構造柱在縱向鋼筋搭接區的箍筋也應加密。

(6)墻體局部尺寸限值。在抗震設計規范中對此有專門的限制性規定,這是從宏觀上保證砌體房屋安全度的有效措施。但發現有承重窗間墻最小寬度<1.0m(六度設防);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,片面追求開敞明亮卻忽視了房屋的抗震安全。

(7)剪力墻布置方式。框剪結構剪力墻布置有 8字方針,即“周邊,均勻,對稱,相交”。底框結構中山墻一般要布置剪力墻,因為只在每個住宅單元樓梯間兩側布置混凝土剪力墻的底框結構是不宜采用的。

(8)通過對汶川地震的建筑震害調查,得到以下經驗和教訓:砌體結構的抗震性能需要嚴格的構造措施和施工質量給予保證,包括合理設置鋼筋混凝土構造柱和圈梁、預制樓板的有效拉結和擱置長度或增加現澆層等,最好采用現澆樓蓋,特別是應加強構造柱和承重墻的安全儲備,否則這種結構形式極易在地震中發生嚴重破壞。

[1] G B50010-2002混凝土結構設計規范[S]

[2] G B50011-2001建筑抗震設計規范[S]

[3] G B50003-2001砌體結構設計規范[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,2008(3)

[5] 葉列平,陸新征.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結構學報,2008(4)

[6] 王亞勇.汶川地震建筑震害啟示 -抗震概念設計[J].建筑結構學報,2008(4)