底層框架砌體結構房屋震害特征及抗震對策

馮福雄，楊德健

(天津城市建設學院 a. 土木工程系；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

底層框架砌體結構房屋震害特征及抗震對策

馮福雄a,b，楊德健a,b

(天津城市建設學院 a. 土木工程系；b. 天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384)

底層框架砌體結構房屋為上剛下柔結構體系，在“5·12”汶川地震中遭受了嚴重破壞．通過對汶川地震中此類房屋震害特點進行總結，分析了相關震害產生的原因．對某工程實例在底層設置不同數量抗震墻以實現第二層與底層側移剛度比的定量計算，分析不同側移剛度比對結構薄弱層出現位置的影響，并對此類房屋建筑設計提出了幾點建議．

底層框架砌體結構；薄弱層；側移剛度比；震害分析；抗震措施

底層框架砌體結構房屋(簡稱底框房屋)是指底層或底部兩層為鋼筋混凝土-抗震墻結構、上部幾層為砌體墻(磚或小砌塊)承重的多層房屋．由于其造價低廉、施工方便和使用性能良好等特點，被廣泛應用于我國中小城市的臨街建筑．這類房屋底層采用鋼筋混凝土框架結構，能提供較大的使用空間，多用來做商鋪使用；上部采用多層砌體結構形式，可用來做住宅、辦公室等．由于其上部是砌體形式，下部是框架形式，造成了“頭重腳輕”“上剛下柔”的結果．從抗震的角度來講，這對房屋的抗震設防是極為不利的，“頭重腳輕”導致其在地震作用下上部砌體以很大的慣性力作用于底層框架；“上剛下柔”則造成結構豎向剛度分布不均勻，使房屋容易出現薄弱層，而薄弱層多出現在底層．我國現行的《建筑抗震設計規范》[1](GB50011—2001)規定，底框結構應設置抗震墻，形成底部框剪-砌體抗震結構體系，以提高底層框架剛度；并規定底層框架-抗震墻房屋的縱橫兩個方向，第二層與底層側向剛度的比值，6，7度時不應大于2.5，8度時不應大于2.0，且均不應小于1.0．

據調查，在“5·12”汶川地震中，城鎮倒塌和嚴重受損的房屋中，底框房屋占相當大比例．本文主要分析了汶川地震中此類房屋不同類型震害產生的原因，并提出相應對策．

1 底框砌體房屋的震害特征與分析

1.1 過渡層破壞

圖1 過渡層發生破壞

圖2 過渡層整體坍塌

“5·12”汶川地震后，有關專家學者進行了大量調研[2-6]，發現底框房屋過渡層部分出現嚴重的“破壞集中”現象．圖 1為位于都江堰市一棟底框建筑，震后其底層框架部分基本完好，過渡層發生嚴重破壞；圖 2為位于都江堰市景觀路的建筑，其過渡層全部倒塌，整棟建筑嚴重破環．過渡層的嚴重破壞，首先在于它的材料性能，因采用的磚砌材料延性、抗變形能力和抗剪切能力都很差，在“大震”作用下易發生剪切破壞；其次過渡層在地震作用下受力狀態復雜，它不僅承擔傳遞上層砌體傳來的地震剪力作用，而且上部結構對底層樓板的傾覆力矩將使過渡層的層間位移進一步增大．高小旺[7]通過對七層底框抗震墻磚房 1/2比例模型的抗震研究表明，過渡層磚墻開裂先于其他樓層磚墻(過渡層砂漿強度等級高于上部各層)，砌體開裂后其抗側剛度顯著降低，在地震剪力和傾覆力矩共同作用下過渡層進一步破壞．此次震害中的建筑多依據《建筑抗震設計規范》[8](GBJ11—89)，該規范過于強調加強底層框架部分剛度，造成過渡層剛度低于底層框架部分，使過渡層成為結構的薄弱樓層．

1.2 底層框架部分整體破壞

在歷次大的地震中，底層框架砌體結構房屋的底框部分都出現了比較嚴重的破壞．此次“5·12”汶川地震中，這類建筑的底框部分也表現出很差的抗震性能．圖3為房屋的框架層發生了過大水平側移，這明顯是底層抗側承載力不足造成的．更有甚者，底層框架部分出現了坍塌，上部磚房整體下挫至地面，如圖4所示．由于地震發生時間及使用功能原因，底層“薄弱層”的破壞造成了大量人員傷亡和財產損失．

圖3 底層框架過大側移變形

圖4 底層框架整體坍塌

在大震作用下，“薄弱層”框架柱難以提供足夠的抗震剛度和充足的延性，柔性底層框架屈服后會出現很大的塑性變形，產生“破壞集中”現象，并在反復地震力作用下輕則框架發生過大側移，重則底層全部倒塌．《建筑抗震設計規范》[1]規定：第二層與底層側向剛度的比值，6，7度時不應大于2.5，8度時不應大于2.0，就是為了防止底層框架成為明顯“薄弱層”.

1.3 框架柱節點破壞

框架柱在彎矩、剪力和軸力作用下，柱頂、柱底出現水平裂縫、交叉斜裂縫，并且在反復地震作用下會發生混凝土局部壓潰，縱筋屈服呈燈籠狀破壞的情況，如圖5、圖6所示．這種柱節點的破壞類似于框架結構中出現的“強梁弱柱”現象，這是因為底層樓板對框架梁剛度的加強使得柱端要先于梁端出現塑性鉸．另外，底層框架處于彈性工作階段時，底部抗震墻具有很大的側向剛度，框架柱側向剛度相對較小，使得它分擔的地震剪力也很小，但房屋在設防烈度下將進入非彈性變形階段，此時抗震墻首先出現裂縫，剛度迅速降低，引起地震剪力的重新分配，使框架所分擔的地震剪力大幅增大．從總體上來說，框架角柱的破壞要比內柱破壞嚴重，這主要是由于房屋布置原因使各層剛度中心與質量中心不重合，導致地震扭轉效應，使角柱受力非常復雜．

圖5 底層柱頂破壞

圖6 底層框架柱縱筋壓曲

1.4 底層墻體破壞

底層框架砌體結構房屋底層墻體可分為抗震墻和填充墻兩種，其中抗震墻可采用鋼筋混凝土和砌體兩種形式．《建筑抗震設計規范》[1]規定，抗震設防烈度為6，7度，且總層數不超過 5層的底層框-墻房屋，允許采用嵌砌于框架之間的砌體抗震墻．此次地震的汶川地區多采用磚砌抗震墻，其在地震中遭受了嚴重破壞．從能量角度來看，抗震墻是房屋的第一道抗震防線，在地震作用時首先消耗地震能量，當抗震墻所受地震剪力超過墻體的抗剪承載力時，墻體發生剪切破壞，出現交叉斜裂縫，并在反復地震力作用下沿斜裂縫發生滑移錯位，如圖7所示．

圖7 抗震墻剪切破壞

作為主要起分隔、維護作用的填充墻，在汶川地震中表現為剪切破壞、出平面破壞、局部擠壓破壞等形式．由于填充墻屬于非結構構件，其對結構的具體作用還沒有量化的計算方法．但從能量角度來講，填充墻的開裂、壓壞都吸收了一定的地震能量，如圖 8所示，可以看出填充墻出現明顯裂縫，這說明填充墻起到了耗能的作用．因此填充墻對底框房屋的影響還需進一步研究．

圖8 填充墻出現明顯裂縫

2 不同側移剛度比對薄弱層位置的影響

從“5·12”汶川地震中底框砌體磚房的震害可以看出，采用兩種不同結構形式致使房屋豎向剛度不均勻分布是造成這類房屋破壞的主要原因之一．這時過渡層與底層側移剛度比的合理取值就顯得尤為重要，有關學者也對此進行了大量分析研究[9-10]．由于底框砌體房屋上部多為縱橫墻密集的住宅或辦公樓，底層框架柱相對于抗震墻的側移剛度小得多，第二層與底層側移剛度比主要反映底層抗震墻數量的多少．文中采用六層商店式住宅(底層商店，上部五層為住宅)，底層結構平面如圖9所示，通過布置不同數量抗震墻來控制第二層與底層側移剛度比，以探討其對薄弱樓層出現位置的影響．抗震墻的布置方案及相應側移剛度見表1．

圖9 底層平面簡圖

表1 不同布置方案下底層側移剛度及 2K/1K值

采用文獻[11]提出的方法判別薄弱層位置：若ξy(1)＜0.8ξR(2)，則底層為薄弱樓層；若ξy(1)＞0.9ξR(2)，則第二層為薄弱樓層；若ξy(1)為(0.8～0.9)ξR(2)，則該結構較為均勻．ξ(i)為層間極限剪力系數，采用如下公式計算

式中：Rξ(1)為底層極限剪力系數；RV(1)為底層極限剪力，由框架和混凝土、磚抗震墻分別計算得到的極限剪力綜合給出[11-12]；eV(1)為第一層彈性地震剪力．

對于表1中7種不同的側移剛度比，若建筑處于8度區，總層數為 6層，則在“大震”作用下的極限剪力系數分布見表2．

表2 底層布置不同墻量時層間極限剪力系數Rξ

從表 2可以看出：采用布置方案 1時，底層剛度過小成為明顯的薄弱樓層；而方案 7則相反，底層設置過多抗震墻使過渡層成為薄弱樓層．從表1和表2中不難看出，文中采用 4，5兩種布置方案時，結構的整體剛度分布較為合適．這時過渡層與底層側移剛度比在 1.5左右，而且此時結構的樓層極限剪力系數分布也比較均勻，這樣框架、混凝土抗震墻均可發揮很好的變形能力和耗能能力，第二層磚房亦不會發生嚴重破壞．

3 結 語

本文主要分析了底層框架磚房在“5·12”汶川地震中遭受嚴重破壞的原因，通過實例討論了不同側移剛度比對結構薄弱樓層出現位置的影響，由此對這類房屋建筑設計提出以下幾點建議：

(1)加強房屋整體性，避免結構出現明顯薄弱層．對上部磚房合理設置圈梁、構造柱等構件，提高其空間抗震能力；

(2)在房屋布置時，不應僅著眼于房屋平、立面對稱，也要注意房屋質量與剛度中心是否重合，減輕扭轉效應對結構底部框架的影響；

(3)確定合理的側移剛度比，使底層框架抗震墻既能發揮良好的變形性能和耗能性能，又不至于出現較大變形，避免出現由于底層設置過多抗震墻而造成上部過渡層成為薄弱樓層的現象；

(4)關于填充墻對此類結構抗震性能的影響還有待進一步研究，在抗震設計時宜考慮填充墻的耗能作用．

［1］GB50011—2001，建筑抗震設計規范[S].

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Analysis of Seismic Performance of Multistory Masonry Buildings with Bottom Story Frame and Seismic Measures

FENG Fu-xionga,b，YANG De-jiana,b
(a. Department of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

The multistory masonry building with bottom story frame is a kind of structure system with rigid upper stories and flexible bottom ones. Such buildings were seriously damaged in“5·12”Wenchuan Earthquake. After summarizing the characteristics of seismic damage in Wenchuan Earthquake, this paper mainly analyzes the causes of related seismic damage.This paper sets different earthquake proof walls for bottom story frame in a project case, and calculates the stiffness ratio of the second masonry floor to the bottom floor, and then analyzes the impact of different lateral stiffness ratio on the weak layer of construction. Finally this paper puts forward some suggestions for the similar building designs.

multistory masonry buildings with bottom story frame；weak layer；lateral stiffness ratio；damage Key words：analysis；seismic measures

TU352.11

A

1006-6853(2011)01-0010-05

2010-10-29；

2010-11-15

馮福雄（1986—），男，天津人，天津城市建設學院碩士生.