论文部分内容阅读
摘要：对于底部框架-抗震墙砌体结构房屋这种“上刚下柔“的结构，抗震性能不利，抗震新规范从多个方面进行了严格的计算与构造要求。
关键词：底部框架；-抗震墙砌体结构；计算；构造措施
在很多中小城市建筑设计中，尤其是经济欠发达地区，往往要求临街的住宅、办公楼等建筑在底层设置商店、饭店、邮局或银行等。在经济杠杆的指导下，房屋的上面几层为纵横墙较多的砌体承重结构，而底层则因使用要求需要大空间的原因采用框架结构形成了砖混底层框架结构。对这种“上刚下柔”的结构，从抗震上来说是不太有利的，但因其在使用上的方便性、灵活性以及经济性而被广泛采用。与此同时，目前很多结构设计人员在对砖混底框结构的设计上还存在许多的疑问甚至误区（尤其反映在结构电算程序的应用上）。因此，本文就底框结构的设计做一些阐述。
一、一般规定
1、底框结构的破坏特性
底框结构一般来说高度不是很高，风荷载的影响较小，主要是承受竖向荷载和水平地震作用。其在地震作用下的破坏特征是：
1）二层以上砖房破坏的状况与一般多层砖房基本相同；
2）底层的破坏比上面各层都严重，主要是底層柱丧失承载力，或因变形集中引起位移过大而破坏。底层柱在竖向荷载和水平地震剪力的联合作用下，沿斜截面发生破坏后，又加剧了受压破坏。有的柱由于钢筋间距过大，特别是在柱的上下端箍筋没有加密的情况下，破坏更加突出。有的钢筋混凝土柱因纵向钢筋的配筋率太高（超过6%），使柱丧失韧性，发生脆性破坏；
3）由于底框结构上部砖房的重量较大，底部重量相对较轻，在“头重脚轻”的情况下再加上平面布置不对称的情况下发生扭转破坏。
针对以上情况，规范规定对此类结构的底层不能采用纯框架结构，一定要在两个方向设置抗震墙，成为框架——抗震墙结构。至于抗震墙的材料，在6、7度抗震设防时新规范虽然允许采用砖墙，但应计入砖对框架的附加轴力和附加剪力（老的抗震规范无此要求）。其余情况均应采用钢筋混凝土抗震墙。
2、底框结构的总高度和层数的限制
一般6度抗震设防情况下，新的抗震规范（GB50011-2010）规定：底层框架结构的总高度限制在22米。但这个高度是指室外地面到主要屋面板板顶或檐口的高度，不包括女儿墙的高度；对带阁楼的坡屋面应算到山尖墙的1/2高度处。层数一般限制在7层，即底层为框架，上部砖砌体最多为6层。在7度抗震设防情况下，规范对基本地震加速度为0.10g和0.15g的情况分别作了限制，限制高度分别为22米和19米，限制层数分别为7层和6层。
3、底层抗震横墙的最大间距
横墙的间距限制主要是防止楼板平面出现过大的变形而不能使各层的地震作用传递到抗震墙上，因此与楼、屋盖的刚度有关。一般情况下，底框结构的楼、屋盖采用现浇至少也应保证整体式装配。此时，抗震横墙的最大间距在6度时为18米，7度时为15米。
4、底层框架的抗震等级
底部混凝土框架的抗震等级，6、7、8度应分别按三、二、一级采用。混凝土墙体的抗震等级，6、7、8度应分别按三、三、二级采用。
二、计算要点
1、层刚比的控制
控制侧移刚度比的规定是根据底层为大空间的钢筋混凝土结构的弹塑性地震反应实验和研究分析结果提出的。底层越弱，塑性变形集中的现象越严重，其程度基本上与上下侧移刚度比成正比。而结构破坏的程度层面变形成正比。因此，要减地震时底层的破坏程序，就要对上下部的侧移刚度比进行控制。即对γ=K2/K1进行控制。新的抗震规范则对一层底框架和两层底框均加以控制，一层时γ应在1-2.5之间，两层时γ应在1-2之间。这一点作为设计人员应予以重视。要达到上述要求，采用钢筋混凝土抗震墙比采用砖抗震墙容易得到满足。因为混凝土的弹性模量大约10倍于砖砌体的弹性模量。
2、地震作用的计算
底框结构的地震作用计算方法一般为底部剪力法，其中地震影响系数一律取αmax。在计算时，底框结构的总水平地震剪力标准值的计算公式为：Fek=αmaxGeq。其中Geq为结构的等效总重力荷载代表值，但应注意其取值为各层等重力荷载代表值之和的85%。总水平地震作用沿高度的分布为：Fi=(GiHi/∑GiHi)Fek。
3、底层的设计地震剪力
各层的地震剪力设计值的计算公式为：Vi=γEH∑Fi。其中γEH为水平地震作用的分项系数，一般取为1.3。此处应注意的是，用上式求出的底层地震剪力设计值还应乘以一个增大系数。这是因为底部剪力法仅适用于刚度沿高度方向均匀变化的多层结构，而底框结构是具有薄弱底层的多层结构，故借用底部剪力法时应做适当的修正。抗震规范按前文提到的上下侧移刚度比γ的大小，按η=1+0.17γ来计算增大系数，其值在1.2—1.5之间。
4、底层抗震墙承担的水平地震剪力
在底层，抗震墙的侧移刚度比框架的侧移刚度大几十倍甚至上百倍。这样，按刚度分配，框架所承担的水平地震剪力还达不到总水平地震剪力的5%，为简化计算，可略去不计。因此，抗震规范规定，增大后的纵横向的地震剪力，全部按该方向的抗震墙承担，并按该方向的各片抗震墙的刚度的比例来进行分配。
5、底层框架承担的水平地震剪力
既然底层的水平地震剪力都是由抗震墙承担，那为什么还要考虑框架承担的水平地震剪力呢？这主要是从安全的角度出发，考虑到抗震墙刚度降低而引起的框架承担的剪力的增大。此时，框架承担的水平地震剪力按抗侧力结构的有效侧移刚度的比例分配。所谓有效侧移刚度指的是地震作用下结构处于某个变形阶段时各构件的实际刚度。当结构遭遇7度或以上地震时，目前一般方法设计的结构将进入弹塑性变形状态，即墙体有一定裂缝而使其刚度急剧下降，从而对地震剪力在框架和抗震墙间的分配产生显著影响。根据一些实验结果，可以认为：当层间位移角接近1/500时，框架的刚度不变，钢筋混凝土抗震墙的刚度降至30%，砖抗震墙刚度约降至20%。此后，位移加大，框架的刚度也下降，但墙的刚度也继续下降，三者之间的比例关系基本不变。这样，底层一榀纵向或横向框架所承担的水平剪力计算公式为：Vf=KfV/（∑Kf+0.3∑Kcw+0.2∑Kbw）。其中Kf为一榀框架的侧移刚度，Kcw为一榀钢筋混凝土抗震墙的侧移刚度，Kbw为一榀砖抗震墙的侧移刚度。
三、底框结构的构造措施
1、防止扭转破坏
底框结构对扭转破坏特别敏感，为减少其底框层遭受扭转破坏的危险性，应避免质量和刚度在平面内的不对称布置
2、构造柱
底框结构的上部砖房应根据包括底层在内的总层数按多层砌体房屋的要求设置钢筋混凝土构造柱。
3、楼盖
为了保证地震剪力在框架与抗震墙之间得以分配及传递，要求楼盖应该有较大的水平刚度。故一般情况下，底框结构的楼、屋盖最好采用现浇，否则至少也应保证整体式装配。
4、底层框架柱
底层框架柱截面宜采用正方形，其尺寸不宜小于400mm。当底层框架柱同时作为边框柱时，柱的截面高度不宜小于墙板厚度的2倍。柱的纵向总配筋率应加以限制，柱中纵向钢筋总配筋率超过6%时，易导致混凝土脆性破坏。为了防止这种脆性破坏，应注意箍筋的配置要符合相应的抗震等级的规定。此外，要尽量避免底层短柱的形成，底层柱网应与上部砖房纵横墙的布置协调。
5、底层抗震墙
底层钢筋混凝土抗震墙应符合相应抗震等级的规定；
底层如采用砖抗震墙，要注意墙厚最小为240mm，最好370mm。砂浆等级最好M7.5或M10。验算抗剪承载力不足时可以在砖墙水平缝中加钢筋。框架节点的凹角处宜各配置2φ16的斜筋。
底层抗震墙宜布置在房屋四角和上层有砖墙的部位，尽量避免开洞。如必须开洞，尽量开小洞，洞口尽量设置在墙体的中段。
6、过渡层
新的抗震规范增加了过渡层的概念。过渡层即与底部框架-抗震墙相邻的上一层砌体楼层，其在地震时破坏较重，因此，新规范对过渡层的要求进行了集中叙述并予以特别加强。
四、结束语
综上所述，新的抗震规范对这种“上刚下柔”的结构进行了严格的抗震计算及构造要求，已尽可能的减少地震作用下的破坏。
关键词：底部框架；-抗震墙砌体结构；计算；构造措施
在很多中小城市建筑设计中，尤其是经济欠发达地区，往往要求临街的住宅、办公楼等建筑在底层设置商店、饭店、邮局或银行等。在经济杠杆的指导下，房屋的上面几层为纵横墙较多的砌体承重结构，而底层则因使用要求需要大空间的原因采用框架结构形成了砖混底层框架结构。对这种“上刚下柔”的结构，从抗震上来说是不太有利的，但因其在使用上的方便性、灵活性以及经济性而被广泛采用。与此同时，目前很多结构设计人员在对砖混底框结构的设计上还存在许多的疑问甚至误区（尤其反映在结构电算程序的应用上）。因此，本文就底框结构的设计做一些阐述。
一、一般规定
1、底框结构的破坏特性
底框结构一般来说高度不是很高，风荷载的影响较小，主要是承受竖向荷载和水平地震作用。其在地震作用下的破坏特征是：
1）二层以上砖房破坏的状况与一般多层砖房基本相同；
2）底层的破坏比上面各层都严重，主要是底層柱丧失承载力，或因变形集中引起位移过大而破坏。底层柱在竖向荷载和水平地震剪力的联合作用下，沿斜截面发生破坏后，又加剧了受压破坏。有的柱由于钢筋间距过大，特别是在柱的上下端箍筋没有加密的情况下，破坏更加突出。有的钢筋混凝土柱因纵向钢筋的配筋率太高（超过6%），使柱丧失韧性，发生脆性破坏；
3）由于底框结构上部砖房的重量较大，底部重量相对较轻，在“头重脚轻”的情况下再加上平面布置不对称的情况下发生扭转破坏。
针对以上情况，规范规定对此类结构的底层不能采用纯框架结构，一定要在两个方向设置抗震墙，成为框架——抗震墙结构。至于抗震墙的材料，在6、7度抗震设防时新规范虽然允许采用砖墙，但应计入砖对框架的附加轴力和附加剪力（老的抗震规范无此要求）。其余情况均应采用钢筋混凝土抗震墙。
2、底框结构的总高度和层数的限制
一般6度抗震设防情况下，新的抗震规范（GB50011-2010）规定：底层框架结构的总高度限制在22米。但这个高度是指室外地面到主要屋面板板顶或檐口的高度，不包括女儿墙的高度；对带阁楼的坡屋面应算到山尖墙的1/2高度处。层数一般限制在7层，即底层为框架，上部砖砌体最多为6层。在7度抗震设防情况下，规范对基本地震加速度为0.10g和0.15g的情况分别作了限制，限制高度分别为22米和19米，限制层数分别为7层和6层。
3、底层抗震横墙的最大间距
横墙的间距限制主要是防止楼板平面出现过大的变形而不能使各层的地震作用传递到抗震墙上，因此与楼、屋盖的刚度有关。一般情况下，底框结构的楼、屋盖采用现浇至少也应保证整体式装配。此时，抗震横墙的最大间距在6度时为18米，7度时为15米。
4、底层框架的抗震等级
底部混凝土框架的抗震等级，6、7、8度应分别按三、二、一级采用。混凝土墙体的抗震等级，6、7、8度应分别按三、三、二级采用。
二、计算要点
1、层刚比的控制
控制侧移刚度比的规定是根据底层为大空间的钢筋混凝土结构的弹塑性地震反应实验和研究分析结果提出的。底层越弱，塑性变形集中的现象越严重，其程度基本上与上下侧移刚度比成正比。而结构破坏的程度层面变形成正比。因此，要减地震时底层的破坏程序，就要对上下部的侧移刚度比进行控制。即对γ=K2/K1进行控制。新的抗震规范则对一层底框架和两层底框均加以控制，一层时γ应在1-2.5之间，两层时γ应在1-2之间。这一点作为设计人员应予以重视。要达到上述要求，采用钢筋混凝土抗震墙比采用砖抗震墙容易得到满足。因为混凝土的弹性模量大约10倍于砖砌体的弹性模量。
2、地震作用的计算
底框结构的地震作用计算方法一般为底部剪力法，其中地震影响系数一律取αmax。在计算时，底框结构的总水平地震剪力标准值的计算公式为：Fek=αmaxGeq。其中Geq为结构的等效总重力荷载代表值，但应注意其取值为各层等重力荷载代表值之和的85%。总水平地震作用沿高度的分布为：Fi=(GiHi/∑GiHi)Fek。
3、底层的设计地震剪力
各层的地震剪力设计值的计算公式为：Vi=γEH∑Fi。其中γEH为水平地震作用的分项系数，一般取为1.3。此处应注意的是，用上式求出的底层地震剪力设计值还应乘以一个增大系数。这是因为底部剪力法仅适用于刚度沿高度方向均匀变化的多层结构，而底框结构是具有薄弱底层的多层结构，故借用底部剪力法时应做适当的修正。抗震规范按前文提到的上下侧移刚度比γ的大小，按η=1+0.17γ来计算增大系数，其值在1.2—1.5之间。
4、底层抗震墙承担的水平地震剪力
在底层，抗震墙的侧移刚度比框架的侧移刚度大几十倍甚至上百倍。这样，按刚度分配，框架所承担的水平地震剪力还达不到总水平地震剪力的5%，为简化计算，可略去不计。因此，抗震规范规定，增大后的纵横向的地震剪力，全部按该方向的抗震墙承担，并按该方向的各片抗震墙的刚度的比例来进行分配。
5、底层框架承担的水平地震剪力
既然底层的水平地震剪力都是由抗震墙承担，那为什么还要考虑框架承担的水平地震剪力呢？这主要是从安全的角度出发，考虑到抗震墙刚度降低而引起的框架承担的剪力的增大。此时，框架承担的水平地震剪力按抗侧力结构的有效侧移刚度的比例分配。所谓有效侧移刚度指的是地震作用下结构处于某个变形阶段时各构件的实际刚度。当结构遭遇7度或以上地震时，目前一般方法设计的结构将进入弹塑性变形状态，即墙体有一定裂缝而使其刚度急剧下降，从而对地震剪力在框架和抗震墙间的分配产生显著影响。根据一些实验结果，可以认为：当层间位移角接近1/500时，框架的刚度不变，钢筋混凝土抗震墙的刚度降至30%，砖抗震墙刚度约降至20%。此后，位移加大，框架的刚度也下降，但墙的刚度也继续下降，三者之间的比例关系基本不变。这样，底层一榀纵向或横向框架所承担的水平剪力计算公式为：Vf=KfV/（∑Kf+0.3∑Kcw+0.2∑Kbw）。其中Kf为一榀框架的侧移刚度，Kcw为一榀钢筋混凝土抗震墙的侧移刚度，Kbw为一榀砖抗震墙的侧移刚度。
三、底框结构的构造措施
1、防止扭转破坏
底框结构对扭转破坏特别敏感，为减少其底框层遭受扭转破坏的危险性，应避免质量和刚度在平面内的不对称布置
2、构造柱
底框结构的上部砖房应根据包括底层在内的总层数按多层砌体房屋的要求设置钢筋混凝土构造柱。
3、楼盖
为了保证地震剪力在框架与抗震墙之间得以分配及传递，要求楼盖应该有较大的水平刚度。故一般情况下，底框结构的楼、屋盖最好采用现浇，否则至少也应保证整体式装配。
4、底层框架柱
底层框架柱截面宜采用正方形，其尺寸不宜小于400mm。当底层框架柱同时作为边框柱时，柱的截面高度不宜小于墙板厚度的2倍。柱的纵向总配筋率应加以限制，柱中纵向钢筋总配筋率超过6%时，易导致混凝土脆性破坏。为了防止这种脆性破坏，应注意箍筋的配置要符合相应的抗震等级的规定。此外，要尽量避免底层短柱的形成，底层柱网应与上部砖房纵横墙的布置协调。
5、底层抗震墙
底层钢筋混凝土抗震墙应符合相应抗震等级的规定；
底层如采用砖抗震墙，要注意墙厚最小为240mm，最好370mm。砂浆等级最好M7.5或M10。验算抗剪承载力不足时可以在砖墙水平缝中加钢筋。框架节点的凹角处宜各配置2φ16的斜筋。
底层抗震墙宜布置在房屋四角和上层有砖墙的部位，尽量避免开洞。如必须开洞，尽量开小洞，洞口尽量设置在墙体的中段。
6、过渡层
新的抗震规范增加了过渡层的概念。过渡层即与底部框架-抗震墙相邻的上一层砌体楼层，其在地震时破坏较重，因此，新规范对过渡层的要求进行了集中叙述并予以特别加强。
四、结束语
综上所述，新的抗震规范对这种“上刚下柔”的结构进行了严格的抗震计算及构造要求，已尽可能的减少地震作用下的破坏。