底部多層框支結構的抗震設計探討

摘要： 從底部框支剪力墻設計中遇到的一些問題出發， 指出了概念設計的重要性， 并在研究和完善底部框支剪力墻結構的設計理論上作了初步的探討。

關鍵詞： 底部多層框支結構； 抗震設計； 探討

1概述

設防基本烈度8 度的丙類建筑和設防基本烈度7 度的乙類建筑， 其結構形式可采用底層大空間剪力墻結構。底層大空間剪力墻結構， 由于其豎向剛度不均勻， 用作抗震結構是很不利的。但由于其結構布置易于滿足商住樓底層大空間商場和綜合樓底層大空間的建筑功能需求， 仍得到了廣泛地應用。

2 結構體系布置應利于抗震設計

2.1 框支剪力墻應采用整體剛度好的地基基礎高層結構是否具有耐震能力， 是由承載能力和變形能力共同決定的。承載力的設計易于滿足， 而變形能力在很大程度上是對抗側剛度的控制， 直觀上就是對水平變位的控制。高層結構剛度的強弱是否合適， 首先取決于結構自振周期與所在場地特征周期差別的大小。

多層框支結構是高位轉換， 整個結構的質心上移， 底部剪力墻的布置數量又受到限制。這樣， 框支結構的抗側剛度相對于一般高層結構明顯偏弱， 建筑物的自振周期增長， 側向變位增大。增大下部的剪力墻數量和提高下部砼強度等級， 是提高整體剛度的最有效的辦法。反之， 提高上部結構的剛度， 就加大了轉換層上下結構的剛度突變，整體結構的動力效應就會加大， 仍然存在結構剛度相對不足的問題。因此， 對于底部多層框支剪力墻結構， 靠提高剛度來滿足側向變位的要求是很有限的。據某棟底部3 層，上部15 層的框支剪力墻的計算結果分析得知， 當建筑物的最大層間位移減小20% ～30% 時， 其結構的抗側等效剛度需提高1 倍以上， 可見， 只增大建筑物的剛度不但抗側移的效果不明顯， 而且導致其自重和地震力增強以及建筑物的經濟指標提高。故在設計中， 不應單純地從剛度去解決側向變位偏大問題， 而可以換個角度， 讓結構的自振周期遠離場地土的特征周期， 進行地基處理和采用樁基等， 以減少建筑物上部結構與地基土發生共振時造成的結構破壞。因此， 在底部多層框支剪力墻結構設計時，其地基基礎承載力和剛度宜采用相對較強的形式。由以上3 層框支結構的反復計算可知， 由建筑物剛度體現出的層間位移， 宜控制在現行5鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程6 中允許變位1/ 2～ 1/ 115 較為合適。

2.2 底部多層框支剪力墻結構布置的豎向質量與剛度宜均勻對稱

框支剪力墻結構上部為剪力墻體系， 下部為框架剪力墻體系， 上部的部分剪力墻要通過轉換層才能將內力傳遞給下部框架， 再通過框架柱傳給基礎。所以， 轉換層上下結構的剛度宜盡量均勻， 防止突變。主樓應根據自身需要布置剪力墻。裙房也應根據需要， 并按照分散、均勻的原則，布置一定數量的縱墻和橫墻。任何情況下，均不得將主樓所需要的落地墻布置在裙房內， 以免主樓水平地震力引起的傾覆力矩無法直接傳至基礎。由于框支剪力墻結構增加轉換層， 下部剪力墻的數量和砼強度等級都受到限制， 所以， 設計時可以弱化上部， 即適當減少上部剪力墻的數量（ 面積） ， 來達到相對強化下部的目的。這既減輕了建筑物的重量， 又減少了轉換大梁的數量， 又比較容易滿足上下剛度比。然而， 對于上部純剪力墻結構， 為保證樓板有足夠剛度且避免翹曲變形的發生， 剪力墻的間距不宜太大， 樓板也不宜太薄。上述實例底部3 層框支剪力墻結構， 其上部剪力墻的間距已達11 m， 而計算結果的周期、位移、剪重比等均在要求范圍以內， 可見， 此建筑的結構布局還是比較合理的。

底部多層框支剪力墻結構， 除了控制剛度以外， 還要注意剪力墻的布置均勻對稱。因為底部多層框支剪力墻的質心上移， 扭轉效應對底部的影響較大， 使下面幾層都有可能成為薄弱層， 考慮到彎曲、剪切、軸向變形和扭轉的影響， 底部多層框支剪力墻的受力構件（ 梁、柱、剪力墻） 的布置顯得格外重要。

2.3 樓面開大洞對結構側移的影響不可忽視

高層建筑由于建筑功能的需要， 二層通高、復式住宅等， 使結構樓面開洞的機會增多， 樓板已從樓板面內剛度無限大的假定轉變成了樓板分塊剛性的假定， 整個樓板的變形很難協調一致。結構設計時， 應盡可能在大洞周邊布置寬扁梁或剪力墻來約束樓板的變形， 一方面易于滿足樓板抗震設計的要求， 另一方面又可以控制本身結構的側向變形。對于這一類結構計算， 要采用總剛模型進行結構的振動分析， 即要考慮樓板的彈性變形對結構的影響。采用彈性樓板計算的變位， 比剛性樓板計算的變位約增加8% ～10% 。

3 結構的抗震構造措施

3.1 強柱弱梁0 強剪弱彎0 強節弱桿0的抗震設計思想5高規6 中對于底層框支剪力墻結構的落地剪力墻和轉換層樓蓋以上一層的剪力墻、框支柱、框支梁有加強要求， 而對于底部多層框支結構卻沒有規定， 所有的計算程序對此也沒有考慮。底部多層框支結構受力很復雜， 絕不能等同于普通的框剪結構。如果只按照5高規6 進行調整， 不考慮底層和轉換層之間樓層的調整， 那么， 形成薄弱層就不可避免了。所以， 這就要求設計者根據概念設計的原則進行這一部分的三強三弱0 的調整。

3.2 構造措施宜更加嚴格

我們在高層結構的計算中， 都是以第一水準烈度（ 50 a 超越概率為63% ， 比基本烈度約低115 度） 對結構截面承載力進行彈性階段驗算， 同時按97G329 （ 一） 的有關要求， 采取相應的抗震構造措施保證結構的延性， 使之具有與第二水準烈度（ 基本烈度） 相應的變形能力， 實現/ 小震不壞和中震可修0 的設防要求， 這是第一階段的設計。對于復雜的高層結構， 如框支剪力墻結構， 還必須進行/ 時程分析法0 補充計算，以頻度極低的大震（ 50 a 超越概率2% ～3%， 相當于比基本烈度大110 度） 為對象，也就是第三水準烈度對結構薄弱部位進行彈塑性層間變形驗算和采取相應的構造措施，以實現/ 大震不倒0 的設防要求稱為第二階段設計。由此可知， 絕大多數高層結構在第二階段， 并不一定要求進行內力和位移的計算， 而要通過構造措施加以保證。所以， 對于高層結構， 抗震概念設計和構造是非常重要的。設計時， 一級抗震等級每層框支柱的軸壓比都不大于014， 最小配筋率＼112% ，轉換層以下和轉換層以上一層的鋼筋砼墻水平和豎向分布鋼筋最小配筋率均＼013% 。所有加強的構造措施都是為了保證整個結構及構件具有良好的延性， 利于耗能抗震。如果采用了型鋼砼柱（ 其配鋼率約為5%～ 7% ） ， 型鋼芯柱使柱的受壓承載力增大20% ～ 30% ， 其柱可以比同截面的鋼筋砼柱軸壓比限值提高012。型鋼砼柱的承載力和變形能力均遠高于鋼筋砼柱， 用于框支柱， 將能進一步改善框托墻體系的耐震性能和抗震可靠度。

4 結語

綜上所述， 底部多層框支結構的受力是非常復雜的， 遇到的問題亦是多種多樣， 需要進一步的深入研究和完善。

參考文獻：

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