重視底框結(jié)構(gòu)中側(cè)向剛度比的影響因素

曹 法 書(shū)

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037006)

?

重視底框結(jié)構(gòu)中側(cè)向剛度比的影響因素

曹 法 書(shū)

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)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(guò)渡層構(gòu)造柱四方面，詳細(xì)分析了底部框架—抗震墻砌體房屋側(cè)向剛度比的影響因素，通過(guò)對(duì)規(guī)范的深入解讀，提出了相應(yīng)的合理計(jì)算方法和措施，以有效減少計(jì)算誤差對(duì)房屋抗震性能的影響。

框架結(jié)構(gòu)，抗震剪力墻，側(cè)向剛度比，過(guò)渡層

隨著我省新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的推進(jìn)，大量縣區(qū)棚戶(hù)區(qū)、安置區(qū)建設(shè)工程的實(shí)施，多層砌體房屋在項(xiàng)目建設(shè)上應(yīng)用廣泛。由于造價(jià)低，取材方便，施工周期短的特點(diǎn)，在小區(qū)外圍一般多布置底部框架—抗震墻砌體(以下簡(jiǎn)稱(chēng)底框)的結(jié)構(gòu)形式，既能利用上部磚混砌體住宅，又滿(mǎn)足了下部商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)對(duì)大開(kāi)間的需求。雖然從抗震理論上講，這是一種不合理的結(jié)構(gòu)形式，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員只要很好地控制其樓層上下側(cè)移剛度比，其抗震性能還是能滿(mǎn)足“小震不壞、中震不修，大震不倒”的設(shè)防要求，汶川地震災(zāi)區(qū)就有很多抗震性能較好的底框砌體結(jié)構(gòu)房屋在大地震中屹立不倒。

1 結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比對(duì)房屋抗震性能的影響

根據(jù)對(duì)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(lèi)：一類(lèi)是“上剛下柔”型，即底框砌體結(jié)構(gòu)的底部側(cè)移剛度小于上部磚混過(guò)渡層，底部框剪結(jié)構(gòu)是薄弱層，在水平地震作用下，底框柱破壞，結(jié)構(gòu)傾斜或坍塌；另一類(lèi)是“下剛上柔”型，即底部側(cè)移剛度大于上部磚混過(guò)渡層(一般情況是底部剪力墻布置過(guò)多或過(guò)偏造成)，使得底部極限剪力系數(shù)大于上部磚混過(guò)渡層，薄弱層轉(zhuǎn)移至過(guò)渡層，使得底部框剪結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力構(gòu)件延性無(wú)法發(fā)揮作用，造成上部房屋開(kāi)裂、挪移甚至傾倒。

因此，底框砌體房屋的底部與過(guò)渡層的側(cè)向剛度，對(duì)整個(gè)房屋建筑的抗震性能影響很大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須重視底框砌體房屋上下層剛度比的準(zhǔn)確計(jì)算。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)抗規(guī))條文中7.1.8-3和7.1.8-4條對(duì)側(cè)向剛度比做了明確的限制要求。底層與底部?jī)蓪涌蚣堋拐饓ζ鲶w房屋側(cè)剛分布示意圖見(jiàn)圖1。

表1 底框—抗震墻砌體房屋的剛度比限值

剛度比設(shè)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?jī)蓪?．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(lái)看，《抗規(guī)》傾向于底部框剪剛度略低于上部砌體結(jié)構(gòu)，這樣可以充分利用底框結(jié)構(gòu)的延性大于上部砌體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，控制底部薄弱層的變形，而上部砌體結(jié)構(gòu)剛度小于底部框剪結(jié)構(gòu)時(shí)，作為薄弱層變形，沒(méi)有延性調(diào)整，地震破壞危害更大。影響底框房屋結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度比的因素主要包括以下幾方面。

2 底框房屋結(jié)構(gòu)中填充墻對(duì)剛度比的影響

底框砌體房屋原本就是為商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)建造，業(yè)主自然要根據(jù)商業(yè)布局填充一定數(shù)量的分隔墻。這些填充墻的材質(zhì)、數(shù)量、布置疏密程度，對(duì)底部樓層的側(cè)向剛度影響很大。雖然PKPM的計(jì)算程序里，設(shè)置了“考慮填充墻的周期影響系數(shù)”對(duì)話(huà)框，但是在《抗規(guī)》里沒(méi)有給出多層結(jié)構(gòu)具體的周期折減系數(shù)值，設(shè)計(jì)人員也不宜采用程序默認(rèn)值1.0，否則造成樓層剛度比計(jì)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(shù)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(shù)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(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)建模時(shí)，應(yīng)根據(jù)底部剪力墻多少來(lái)輸入周期影響系數(shù)，一般取0.6～0.8，剪力墻多時(shí)取大值，反之取小值。在實(shí)際施工中，施工單位為了進(jìn)料方便，底部填充墻往往采用了與上部磚混結(jié)構(gòu)一樣的粘土磚砌體。這些容重較大的填充墻對(duì)底部側(cè)向剛度影響更大，設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)說(shuō)明中，一定要明確“底部填充墻采用與上部磚混結(jié)構(gòu)不同的、容重較小的輕質(zhì)材料”，而且一定要注明填充墻后砌作業(yè)，以便適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)在水平地震力作用下不同方向的層間位移，滿(mǎn)足在設(shè)防地震下主體結(jié)構(gòu)層間變形要求。

3 底部剪力墻布置方式對(duì)剛度比的影響

通過(guò)在底部框架中設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土抗震墻，是增大底部樓層側(cè)向剛度，增加底部延性的重要途徑。為了實(shí)現(xiàn)底部抗震墻的延性更好發(fā)揮，樓層平面不能布置側(cè)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(fā)生剪切變形，而不是彎曲變形，其破壞形態(tài)為脆性破壞，設(shè)防地震下房屋結(jié)構(gòu)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(cè)向剛度會(huì)明顯減弱。

為了減弱底部抗震墻的側(cè)向剛度，可以通過(guò)在剪力墻上開(kāi)洞口實(shí)現(xiàn)。當(dāng)洞口較規(guī)則，開(kāi)洞率小于15%時(shí)，可以按整體墻開(kāi)小洞口考慮；當(dāng)開(kāi)洞率為40%～60%時(shí)，要根據(jù)剪力墻整體系數(shù)和墻肢的反彎點(diǎn)情況來(lái)具體分析，確定其為開(kāi)口墻還是雙肢墻。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是看開(kāi)洞對(duì)剪力墻連梁的影響，如果開(kāi)洞后連梁弱化成框架梁桿系，就應(yīng)按雙肢剪力墻輸入。在程序計(jì)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(kāi)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(jiàn)表2。工程設(shè)計(jì)中一定要嚴(yán)格按實(shí)際情況相對(duì)準(zhǔn)確建模，以免剛度計(jì)算失真，影響結(jié)構(gòu)抗震性能。

表2 剪力墻開(kāi)洞按不同方式輸入的剪力、剛度比

4 底框房屋結(jié)構(gòu)中邊框柱對(duì)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(jì)算時(shí)如何考慮邊框柱對(duì)剪力墻的剛度影響，根據(jù)PKPM說(shuō)明手冊(cè)，“對(duì)混凝土抗震墻可選擇考慮邊框柱的作用，對(duì)磚抗震墻可選擇不考慮邊框柱的作用”。但是，筆者認(rèn)為不能一概而論，按照抗震設(shè)計(jì)的“二道防線(xiàn)”概念，底框砌體房屋結(jié)構(gòu)中，抗震墻是第一道防線(xiàn)，框架柱是第二道防線(xiàn)。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(shè)計(jì)，而忽略了框架柱的剪力設(shè)計(jì)調(diào)整。尤其剪力墻墻肢長(zhǎng)度較小時(shí)，不考慮邊框柱對(duì)剪力墻側(cè)移剛度作用，是偏安全的。

5 過(guò)渡層構(gòu)造柱對(duì)剛度比的影響

底框房屋上部砌體磚墻中的鋼筋混凝土構(gòu)造柱，對(duì)墻體起約束作用，能顯著提高墻體的受剪承載力。同時(shí)，構(gòu)造柱與圈梁形成上部住宅樓層的弱框架，對(duì)上部砌體結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算貢獻(xiàn)很大，因此《抗規(guī)》7.1.8-3和7.1.8-4條中明確提出過(guò)渡層剛度要計(jì)入構(gòu)造柱的影響。尤其是《抗規(guī)》7.5.2條新增內(nèi)容，加強(qiáng)了過(guò)渡層構(gòu)造柱的設(shè)置，增加了“墻體內(nèi)構(gòu)造柱間距不宜大于層高”“縱向鋼筋6度，7度時(shí)不宜少于4Φ16,8度時(shí)不宜少于4Φ18”“大于1.2 m的門(mén)洞和大于2.1 m的窗洞兩側(cè)宜增設(shè)截面不小于120×240 mm的構(gòu)造柱”等內(nèi)容。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在PKPM中建模時(shí)，一定要將上部樓層(尤其是過(guò)渡層)砌體墻中的構(gòu)造柱同時(shí)輸入，參與底框房屋上下層剛度比的程序計(jì)算。

6 結(jié)語(yǔ)

底框砌體房屋是一種適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)體系，尤其是在廣大縣區(qū)農(nóng)村中的大量建設(shè)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員有責(zé)任采取嚴(yán)格的相對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算，重視底框與過(guò)渡層的剛度比計(jì)算，分析其各種影響因素，使底框砌體房屋在設(shè)防地震下也能具有良好的抗震表現(xiàn)。

[1] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 黃世敏,楊 沈.建筑震害與設(shè)計(jì)對(duì)策[M].北京：中國(guó)計(jì)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(shū)(1973- )，男，工程師

TU375.4

A