重視底框結構中側向剛度比的影響因素

曹 法 書

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

?

重視底框結構中側向剛度比的影響因素

曹 法 書

(大同市二院建筑設計研究有限責任公司，山西 大同 037006)

從填充墻、底部剪力墻布置方式、邊框柱、過渡層構造柱四方面，詳細分析了底部框架—抗震墻砌體房屋側向剛度比的影響因素，通過對規范的深入解讀，提出了相應的合理計算方法和措施，以有效減少計算誤差對房屋抗震性能的影響。

框架結構，抗震剪力墻，側向剛度比，過渡層

隨著我省新型城鎮化建設的推進，大量縣區棚戶區、安置區建設工程的實施，多層砌體房屋在項目建設上應用廣泛。由于造價低，取材方便，施工周期短的特點，在小區外圍一般多布置底部框架—抗震墻砌體(以下簡稱底框)的結構形式，既能利用上部磚混砌體住宅，又滿足了下部商業網點對大開間的需求。雖然從抗震理論上講，這是一種不合理的結構形式，但是結構設計人員只要很好地控制其樓層上下側移剛度比，其抗震性能還是能滿足“小震不壞、中震不修，大震不倒”的設防要求，汶川地震災區就有很多抗震性能較好的底框砌體結構房屋在大地震中屹立不倒。

1 結構側向剛度比對房屋抗震性能的影響

根據對汶川地震房屋震害形式分析，底框砌體房屋的破壞形式多樣，主要分為兩大類：一類是“上剛下柔”型，即底框砌體結構的底部側移剛度小于上部磚混過渡層，底部框剪結構是薄弱層，在水平地震作用下，底框柱破壞，結構傾斜或坍塌；另一類是“下剛上柔”型，即底部側移剛度大于上部磚混過渡層(一般情況是底部剪力墻布置過多或過偏造成)，使得底部極限剪力系數大于上部磚混過渡層，薄弱層轉移至過渡層，使得底部框剪結構的抗側力構件延性無法發揮作用，造成上部房屋開裂、挪移甚至傾倒。

因此，底框砌體房屋的底部與過渡層的側向剛度，對整個房屋建筑的抗震性能影響很大，結構設計人員必須重視底框砌體房屋上下層剛度比的準確計算?！督ㄖ拐鹪O計規范》(以下簡稱抗規)條文中7.1.8-3和7.1.8-4條對側向剛度比做了明確的限制要求。底層與底部兩層框架—抗震墻砌體房屋側剛分布示意圖見圖1。

表1 底框—抗震墻砌體房屋的剛度比限值

剛度比設防烈度6度，7度8度底部一層1．0≤K2/K1≤2．51．0≤K2/K1≤2．0底部兩層1．0≤K3/K2≤2．0；K2≈K11．0≤K3/K2≤1．5；K2≈K1

從表1中的剛度比限值比較來看，《抗規》傾向于底部框剪剛度略低于上部砌體結構，這樣可以充分利用底框結構的延性大于上部砌體結構的優點，控制底部薄弱層的變形，而上部砌體結構剛度小于底部框剪結構時，作為薄弱層變形，沒有延性調整，地震破壞危害更大。影響底框房屋結構側向剛度比的因素主要包括以下幾方面。

2 底框房屋結構中填充墻對剛度比的影響

底框砌體房屋原本就是為商業網點設計建造，業主自然要根據商業布局填充一定數量的分隔墻。這些填充墻的材質、數量、布置疏密程度，對底部樓層的側向剛度影響很大。雖然PKPM的計算程序里，設置了“考慮填充墻的周期影響系數”對話框，但是在《抗規》里沒有給出多層結構具體的周期折減系數值，設計人員也不宜采用程序默認值1.0，否則造成樓層剛度比計算失真。以圖2為例，一棟底部一層框架—抗震墻，上部四層磚混砌體房屋，如果周期影響系數按0.6輸入，其輸出剛度比K0=2.31，K90=1.16，而如果周期影響系數按1.0輸入，則其輸出剛度比K0=1.19，K90=0.65，剛度比相差約30%。設計人員在結構建模時，應根據底部剪力墻多少來輸入周期影響系數，一般取0.6～0.8，剪力墻多時取大值，反之取小值。在實際施工中，施工單位為了進料方便，底部填充墻往往采用了與上部磚混結構一樣的粘土磚砌體。這些容重較大的填充墻對底部側向剛度影響更大，設計人員在結構說明中，一定要明確“底部填充墻采用與上部磚混結構不同的、容重較小的輕質材料”，而且一定要注明填充墻后砌作業，以便適應主體結構在水平地震力作用下不同方向的層間位移，滿足在設防地震下主體結構層間變形要求。

3 底部剪力墻布置方式對剛度比的影響

通過在底部框架中設置一定數量的鋼筋混凝土抗震墻，是增大底部樓層側向剛度，增加底部延性的重要途徑。為了實現底部抗震墻的延性更好發揮，樓層平面不能布置側移剛度較大的低矮墻(即高寬比小于1.0的剪力墻)，其在水平地震力作用下，發生剪切變形，而不是彎曲變形，其破壞形態為脆性破壞，設防地震下房屋結構危害較大。要布置延性較好的彎剪型抗震墻肢，控制墻肢高寬比大于1.5且小于2.5，樓層側向剛度會明顯減弱。

為了減弱底部抗震墻的側向剛度，可以通過在剪力墻上開洞口實現。當洞口較規則，開洞率小于15%時，可以按整體墻開小洞口考慮；當開洞率為40%～60%時，要根據剪力墻整體系數和墻肢的反彎點情況來具體分析，確定其為開口墻還是雙肢墻。簡單地說，就是看開洞對剪力墻連梁的影響，如果開洞后連梁弱化成框架梁桿系，就應按雙肢剪力墻輸入。在程序計算下，樓層剪力墻剛度按不同方式輸入相差很大，圖2中④軸，⑥軸等處剪力墻開洞按不同方式輸入，輸出的底框房屋剪力、剛度比差別較大，見表2。工程設計中一定要嚴格按實際情況相對準確建模，以免剛度計算失真，影響結構抗震性能。

表2 剪力墻開洞按不同方式輸入的剪力、剛度比

4 底框房屋結構中邊框柱對剛度比的影響

在底部框砌體房屋中，抗震墻的布置形式多采用在框架柱中嵌入一段鋼筋混凝土剪力墻，如圖2所示，①軸，⑨軸上的鋼筋混凝土剪力墻。程序計算時如何考慮邊框柱對剪力墻的剛度影響，根據PKPM說明手冊，“對混凝土抗震墻可選擇考慮邊框柱的作用，對磚抗震墻可選擇不考慮邊框柱的作用”。但是，筆者認為不能一概而論，按照抗震設計的“二道防線”概念，底框砌體房屋結構中，抗震墻是第一道防線，框架柱是第二道防線。不宜將框架柱與剪力墻作為組合截面考慮，否則加大了抗震墻的剪力設計，而忽略了框架柱的剪力設計調整。尤其剪力墻墻肢長度較小時，不考慮邊框柱對剪力墻側移剛度作用，是偏安全的。

5 過渡層構造柱對剛度比的影響

底框房屋上部砌體磚墻中的鋼筋混凝土構造柱，對墻體起約束作用，能顯著提高墻體的受剪承載力。同時，構造柱與圈梁形成上部住宅樓層的弱框架，對上部砌體結構的剛度計算貢獻很大，因此《抗規》7.1.8-3和7.1.8-4條中明確提出過渡層剛度要計入構造柱的影響。尤其是《抗規》7.5.2條新增內容，加強了過渡層構造柱的設置，增加了“墻體內構造柱間距不宜大于層高”“縱向鋼筋6度，7度時不宜少于4Φ16,8度時不宜少于4Φ18”“大于1.2 m的門洞和大于2.1 m的窗洞兩側宜增設截面不小于120×240 mm的構造柱”等內容。結構設計人員在PKPM中建模時，一定要將上部樓層(尤其是過渡層)砌體墻中的構造柱同時輸入，參與底框房屋上下層剛度比的程序計算。

6 結語

底框砌體房屋是一種適應我國經濟欠發達地區的建筑結構體系，尤其是在廣大縣區農村中的大量建設。結構設計人員有責任采取嚴格的相對準確計算，重視底框與過渡層的剛度比計算，分析其各種影響因素，使底框砌體房屋在設防地震下也能具有良好的抗震表現。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設計規范[S].

[2] 黃世敏,楊 沈.建筑震害與設計對策[M].北京：中國計劃出版社，2009.

Influential factors of lateral rigidity ratio of bottom-frame structure

Cao Fashu

(Datong2ndBuildingDesignAcademyCo.,Ltd,Datong037006,China)

Starting from four aspects of filling wall, bottom shearing wall arrangement method, lateral frame column and transition layer structure column, the thesis analyzes influential factors lateral rigidity ratio of bottom frame-seismic wall masonry house. Through interpreting norms, it puts forward corresponding rational calculation methods and measures, with a view to effectively reduce the impact of calculation errors upon housing seismic resisting performance.

framework structure, seismic-resisting shear wall, lateral rigidity ratio, transition layer

1009-6825(2017)18-0027-02

2017-04-10

曹法書(1973- )，男，工程師

TU375.4

A