底框結構的抗震能力分析

亢元元 胡希冀

底部框架房屋主要是指底部采用鋼筋混凝土框架的多層磚房,其特點是:這種結構整體抗震性能差,主要是底部的承重構件是鋼筋混凝土柔性框架,上部是磚墻承重的剛性多層磚房,底部的抗側移剛度比上部磚房要小得多,底部柔,上部剛,剛度的急劇變化使得房屋在地震作用下的側移集中發生在底層,而上部各層的位移較小,遇到地震時若設計處理不當,最容易引起底部的嚴重破壞,從而危及整個房屋的安全。

底框結構是我國現階段經濟條件下所特有的一種結構,從抗震上來說,它是一種不合理的結構形式,但由于我國當今的經濟發展水平有限,這種結構目前還無法完全摒棄,因此在我國內地,尤其是廣大西北部地區的臨街建筑中仍廣泛采用。由于底部框架抗震墻磚房是由鋼筋混凝土框架抗震墻和上部磚房兩種承重體系和抗側力體系構成,而由于這兩種抗側力體系在抗震性能等方面的差異,使得這類結構的結構選型與抗震設計比較復雜。臨街建筑采用這類結構,底部臨街一側由于使用及美觀的要求,常不設置抗震墻或所設置的抗震墻的數量較少,而另一側所設置的抗震墻的數量則較多,造成結構的質心與剛度中心不一致,地震時易引起較為嚴重的扭轉效應,加劇了地震的破壞作用。

1 底框結構的抗震能力分析

底部框架—抗震墻砌體房屋是由底層或底部兩層為框架抗震墻、上部為多層砌體房屋構成的。這類房屋的底部框架—抗震墻結構部分具有一定的抗側力剛度和一定的承載能力、變形能力及耗能能力;上部多層砌體房屋具有較大的抗側移剛度和一定的承載能力,但變形和耗能能力相對較差,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。這種結構的整體抗震能力取決于底部和上部各自的抗震能力,又取決于底部和上部結構的抗側力剛度和抗震能力的相互大小程度,也就是說不能存在特別薄弱的樓層,凡震害比較嚴重的部位,均是由于抗震設計考慮不周而出現的相對薄弱的樓層。因此,盡量避免薄弱樓層是底部框架—抗震墻砌體房屋抗震設計中的一個相當重要的概念。震害調查表明底框抗震砌體房屋的倒塌是由薄弱層開始的,從分析研究可以看出,底層抗震墻布置不足的底框抗震砌體房屋,底層是薄弱層;而當底層抗震墻設置過多時,則第二層為薄弱層。

底部框架結構與上部磚混結構的剛度相比是底框抗震墻結構設計的最關鍵問題。若底部框架結構的剛度相對于上部磚混結構的剛度比較大,整個結構形成下剛上柔的結構體系能較好地抵抗地震作用,是比較理想的結構體系;但下部剛度太大意味著下部框架結構中的抗震墻數量較多或者柱子的截面較大,這樣既影響了建筑空間的利用又增加了工程的造價。

底部框架結構的薄弱層與抗震墻數量的多少有很大的關系。合理的抗震墻數量應該是底部框架—抗震墻磚房結構的層間位移反應較為均勻,同時避免底層過強使得薄弱樓層轉移到抗震性能較差的上部磚房部分;應該使房屋的薄弱部位出現在變形和耗能能力都較好的底部框剪層,又可避免框剪層變形過分集中,從而提高結構的整體抗震能力。而抗震墻的數量的確定與很多因素有關,如層剛度比、抗震墻設置的間距、框剪層與相鄰磚砌體層的彈塑性位移的比值、抗震墻的布置形式等。

2 實例分析

本文按照我國《建筑抗震設計規范》所提出的“小震不壞,中震可修,大震不倒”的三水準抗震性能,通過應用由中國建筑科學研究院開發研制的PKPM結構系列軟件對某地區一商住綜合樓進行了結構抗震性能分析。此商住綜合樓為底部框架結構,共6層,底部1層,2層為混凝土框架,3層～6層為磚混結構。圖1為底層平面示意圖,柱截面尺寸為550 mm×550 mm,梁截面尺寸橫向為300 mm×600 mm,縱向尺寸為300 mm×600 mm,底部兩層抗震墻厚為250 mm,混凝土強度等級為C30,3層以上砌體層磚強度等級為MU10,砂漿強度等級為M7.5,層剛度比為1.57。采用PKPM結構分析程序輸入El-centro地震波對結構進行彈性動力時程分析,圖2～圖5為計算分析結果。

由圖2～圖5的計算分析結果可以看出:

1)樓層位移和樓層力基本呈倒三角形分布,且樓層位移和層間位移都很小,底部的層間位移角最大為1/1 457,結構仍處于彈性狀態,基本可以保證“小震不倒”的性能要求;2)當底部框架為兩層時,薄弱層往往在第二層框架。

3 結語

1)只要經過合理的設計,底框結構能夠滿足抗震設防要求;2)在本文算例中,把薄弱層控制在第二層框架,這說明當底部框架為兩層時,薄弱層往往在第二層框架;3)底框結構的薄弱層一般為框剪層,所以控制好框剪層的受力和變形對于底框結構的設計是極其重要的。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震設計規范[S].

[2]趙玉琴.房屋的抗震設防措施[J].山西建筑,2007,33(22):75-76.