底部框架結(jié)構(gòu)震害與設(shè)計要點

底部框架結(jié)構(gòu)震害分析與設(shè)計要點Theseismicdamageanalysisandthedesignkeypointsofthebottomoftheframestructure摘要：基于對汶川地震中底部框架結(jié)構(gòu)的破壞情況與分析，得出底部框架結(jié)構(gòu)破壞特征。由此次震害分析，從底部框架抗震墻設(shè)計、過渡層設(shè)計出發(fā)，提出設(shè)計要點和抗震設(shè)計中的幾個注意問題。Summary:Basedonstructuraldamageatthebottomoftheframeinthewenchuanearthquakeandanalysis,concludedthatthebottomframestructuredamagecharacteristics.Bytheseismicdamageanalysis,design,transitionlayerfromthebottomoftheframeaseismicwalldesign,putforwardthedesignkeypointsandsomenoticeableproblemsinseismicdesign.關(guān)鍵詞：汶川地震底部框架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查與分析抗震設(shè)計Keywords:Thewenchuanearthquake,Thebottomframestructure,Earthquakedamageinvestigationandanalysis,Seismicdesign1概述隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，在大量農(nóng)村城鎮(zhèn)化及鄉(xiāng)鎮(zhèn)城市化過程中，由于使用功能的需要，大量興建底部框架—抗震墻砌體房，底部框架—抗震墻砌體房是指底部一層或兩層為空間較大的框架—剪力墻、上部為多層砌體房屋。這種混合承重的房屋在我國的臨街建筑和住宅區(qū)帶商店或車庫的建筑中使用較多。雖然這類建筑性價比較高,但其上部墻體較多卻會使底層框架層剛度相對偏小,形成“底柔上剛,頭重腳輕”的結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)，從抗震角度來看不太有利，但是為現(xiàn)階段進行的新農(nóng)村建設(shè)節(jié)約大量相對短缺的建設(shè)資金，具有一定的現(xiàn)實意義。本文就汶川地震為例，通過對地震中底部框架結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查分析，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。2汶川地震中底部框架結(jié)構(gòu)震害調(diào)查與分析2.1調(diào)查結(jié)果概述調(diào)查結(jié)果表明,底層框架結(jié)構(gòu)房屋震害主要集中于底層梁、柱及節(jié)點,并且柱的震害遠(yuǎn)大于梁,柱頂震害大于柱底,角柱震害大于內(nèi)柱和邊柱。由于上部無筋砌體結(jié)構(gòu)抗震性能較差,再加上越靠近底層框架墻體所需承受的水平地震作用越大,故底層框架上方的過渡層墻體比較容易在地震中發(fā)生剪切破壞。調(diào)查組從5月17日起至7月22日相繼對綿陽市區(qū)、北川縣城和西科大及周邊三地的底層框架房屋(部分為底部二層框架結(jié)構(gòu))進行了現(xiàn)場調(diào)查,總體情況如前頁表1。2.2底框結(jié)構(gòu)房屋破壞的典型特征1.墻體的破壞（1）墻角處的破壞。砌體陽角破壞，兩片墻體裂縫均貫穿墻體，且越靠近底層裂縫寬度越大，越靠近頂層裂縫寬度越小。（2）窗間墻及洞口處墻體的破環(huán)。破壞的一般形式為X型裂縫、和45°單縫。愈靠近底層破壞愈嚴(yán)重，愈靠近頂層破壞愈小，頂層窗間墻幾乎沒有破壞（圖1）。（3）底層填充墻的破壞。其破壞形式大多為局部或整片倒塌、一片墻體與梁和柱連接處整體產(chǎn)生水平或豎直的裂縫。（4）抗震墻的破壞。地震中抗震墻發(fā)生破壞很少，尤其是鋼筋混凝土的剪力墻幾乎沒有一點損害，只有老式的磚結(jié)構(gòu)抗震墻才受到了破壞。2.梁的破壞梁的破壞形式一般為梁與柱交接處發(fā)生破壞,其中梁的破壞比較輕，柱的破壞比較重;梁中部產(chǎn)生垂直于梁方向的豎直裂縫，裂縫貫穿整個梁，且底部混凝土局部被拉碎；梁產(chǎn)生彎曲變形破壞等。3.柱的破壞柱的破壞形式一般為：柱與梁連接處發(fā)生破壞，且柱的破壞比梁的破壞嚴(yán)重，基本上破壞都發(fā)生在柱子的上端——柱頂混凝土塊被壓碎、脫落、暴筋、鋼筋發(fā)生彎曲、扭曲等嚴(yán)重變形；震害較為嚴(yán)重的底框結(jié)構(gòu)柱子直接發(fā)生傾斜、斷裂、底層整體倒塌等。4.樓梯的破壞樓梯的破壞形式大致都為每一跑的樓梯中間位置出現(xiàn)裂縫，裂縫基本上都垂直于板底面，裂縫貫穿樓梯板厚，越靠近底層破壞現(xiàn)象越明顯。2.3震害分析1.剛度比不符合要求如果底框磚房的底層剛度比上層小得多,由于剛度的急劇變化,會使得結(jié)構(gòu)在剛?cè)峤唤犹帒?yīng)力高度集中,在柱端產(chǎn)生塑性鉸,并使房屋的變形集中在相對薄弱的底層.在設(shè)計中應(yīng)避免這種薄弱層.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）規(guī)定：底層框架-抗震墻房屋的縱橫兩個方向，第二層與底層側(cè)向剛度的比值，6度、7度時不應(yīng)大于2.5，8度時不應(yīng)大于2.0，且均不應(yīng)小于1.0。此次汶川大地震中破較嚴(yán)重的底框砌體結(jié)構(gòu)房屋在剛度比的舉例分析如下：（1）圖2中底框結(jié)構(gòu)房屋房角A處只有一根框架角柱，其縱橫向均未設(shè)置抗震墻，地震中其破壞較輕；而另一房角B處橫向布置有磚砌體抗震墻，地震中它卻被嚴(yán)重破壞。底層各構(gòu)件所受地震剪力按剛度分配。所以，A處所受地震剪力較小，其破壞相應(yīng)較輕；而B處所受地震剪力較大，其破壞也就相應(yīng)嚴(yán)重，還有就是B處僅在橫向布置有抗震墻，縱向沒有，從而導(dǎo)致柱頂沿縱向產(chǎn)生剪切破壞。（2）底框結(jié)構(gòu)房屋中上層砌體與底層框架剛度比過大造成底層框架在地震中整體失穩(wěn)。2.墻體的破壞原因根據(jù)調(diào)查報告顯示，過渡層的墻體破壞尤為典型在此重點分析過渡層（以底部剪力法為依據(jù)分析）。（1）砌體材料自重較大，因此承受的地震力也相應(yīng)較大。（2）砌體材料抗壓性能好，但是屬于脆性材料，抗拉抗剪強度差，延性差，抗變形能力小，且砌體的破壞大多屬于剪切破壞。（3）砌體結(jié)構(gòu)在施工時，砌體間有較多的空隙，砂漿不飽滿或接槎處理不好，都會影響整體性能，使砌體結(jié)構(gòu)在荷載不大時就會產(chǎn)生裂縫，造成砌體抗震性能弱。（4）作用于結(jié)構(gòu)每層的地震剪力是該層以上的所有地震作用力之和。因此，砌體所受豎向荷載和地震荷載越到下層越大，在質(zhì)量分布不均勻，剛度分布不均勻，材料分布不均勻的情況下，破壞從最底層砌體開始，最底層砌體裂縫不斷發(fā)展向上層蔓延。承重橫墻在地震作用下出現(xiàn)與水平線呈45°的貫通單向斜裂縫或交叉斜裂縫，且主要沿灰縫呈階梯型開展，當(dāng)?shù)卣鹜鶑?fù)作用時，墻體沿裂縫滑移、錯位、剝落，最終喪失對豎向荷載的全部承載力。因此在承重墻兩端設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱，以約束碎裂的墻體不致散落，還能保持墻體對豎向荷載的一定承載能力。3.底框中梁和柱的破壞原因柱和梁的破壞主要集中在梁柱節(jié)點處。由于房屋不可避免的發(fā)生扭轉(zhuǎn)，角柱所受的附加剪力最大，角柱受雙向彎曲作用，所受的約束比其他柱小；短柱的剛度增大，所受的地震剪力大，易發(fā)生剪切破壞，嚴(yán)重時發(fā)生脆性錯斷；由于在施工時梁和樓板整體現(xiàn)澆，且為了保證板的剛度無窮大，梁的高度就設(shè)置的很大，因此梁只有在節(jié)點處有輕微破壞?？偟那闆r是柱的震害大于梁，柱頂震害大于柱底，角柱震害大于內(nèi)柱和邊柱，短柱震害大于一般柱。4.梯的破壞原因樓梯的計算簡圖如下，兩端鉸支，這與假設(shè)的樓板剛度無限大矛盾，因為樓板剛度無限大，樓梯兩端應(yīng)為剛接；但是樓梯在地震中的破壞形式表明：樓梯的計算簡圖兩端鉸支時更為與實際相符合。因此，樓梯在跨中所受彎矩最大，容易產(chǎn)生彎曲裂縫，產(chǎn)生彎曲破壞，即現(xiàn)象為在樓梯中部產(chǎn)生裂縫，且裂縫垂直于板。但是另外一種現(xiàn)象為裂縫沿踏步開展，這是因為樓梯在踏步處截面較小，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生彎曲破壞。2.4總結(jié)1底層框架的震害主要集中在梁柱節(jié)點處，總體情況為柱的震害大于梁，柱頂震害大于柱底，角柱震害大于內(nèi)柱。這主要是由于房屋不可避免地要發(fā)生扭轉(zhuǎn)，角柱所受的附加剪力最大，角柱受雙向彎矩作用，所受的約束比其他柱??；短柱震害大于一般柱，短柱剛度較大，所受的地震剪力大，易發(fā)生剪切破壞，嚴(yán)重時發(fā)生脆性錯斷，而導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。2底層框架由于側(cè)移剛度小，地震時水平位移較大，過大的水平位移使結(jié)構(gòu)偏-已,JJn劇，此時豎向荷載使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，出現(xiàn)P一△效應(yīng)，嚴(yán)重時使結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。3房屋的豎向荷載和地震荷載都是越到下層越大，由于底層框架多層砌體結(jié)構(gòu)上部重量大，底層較柔，是頭重腳輕的典型結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)平面布置剛度和質(zhì)量如不對稱，也使底層框架產(chǎn)生較大的側(cè)移變形，使底層柔性框架易于遭受扭曲破壞。4震區(qū)中的房屋結(jié)構(gòu)體形與平面布置多樣化、復(fù)雜化，使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量重心不易重合，加劇剛性部分和柔性部分之間產(chǎn)生較大的水平力差異，產(chǎn)生大的位移變形，并在它們之間出現(xiàn)附加彎矩與剪力，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩。5后砌體的連接。后砌的非承重砌體隔墻，應(yīng)沿墻高每隔500mm設(shè)2帖拉結(jié)鋼筋與承重墻連接，每邊伸入墻內(nèi)不小于0．5m，8度和9度時，長度大于5．1m的后砌墻頂應(yīng)與樓、屋面板或梁連接。6陽臺欄板的連接。磚砌欄板應(yīng)配水平鋼筋，且壓頂臥梁應(yīng)與混凝土芯柱相連，壓頂臥梁鋼筋應(yīng)錨入房屋主體構(gòu)造柱。7構(gòu)造柱底端連接。構(gòu)造柱可不單獨設(shè)基礎(chǔ)(承重構(gòu)造柱除外)，但應(yīng)伸入室外地面下500ITlm或錨入室外地面下不小于300m的地圈梁。8懸臂構(gòu)件的連接。6度～8度時，240mm厚無錨固女兒墻(非出入口處)的高度不宜超過0．5m，當(dāng)超過時女兒墻應(yīng)按抗震構(gòu)造圖集要求采取穩(wěn)定措施。女兒墻的計算高度可從屋蓋的圈梁頂面算起，當(dāng)屋面板周邊與女兒墻有鋼筋拉結(jié)時，計算高度可從板面算起；懸臂陽臺挑梁的最大外挑長度不宜小于1．8m，不應(yīng)大于2mo另外，不應(yīng)采用墻中懸挑式踏步或豎肋插入墻體的樓梯。3底部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計要點3.1結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的要求底部框架抗震墻磚房具有上剛下柔，上重下輕的特點，房屋的震害程度與房屋的平面布置和上下墻體的相對位置，以及上下層的層間側(cè)移剛度比等密切相關(guān)。1“強柱弱梁”原則底部框架抗震墻磚房設(shè)計遵循的基本原則就是：“強柱弱梁”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”，目的是使框架結(jié)構(gòu)在強烈地震作用下,塑性鉸先出現(xiàn)在梁端，后出現(xiàn)在柱端。如果框架的任一柱端先出現(xiàn)塑性鉸，可能會引起同一層其它柱端相繼出現(xiàn)塑性鉸，房屋因此而倒塌。但是底層框架梁因為要承擔(dān)豎向荷載引起的較大彎矩，截面較大，因而在截面抗彎強度的計算上滿足“強柱弱梁”的要求很困難,所以在構(gòu)造上特別是箍筋的配置上應(yīng)盡量實現(xiàn)“強柱弱梁”的設(shè)計原則。2結(jié)構(gòu)平面均勻性、整體性建筑平面布置應(yīng)簡潔、規(guī)則、對稱，并盡可能減少上部磚房單元形式。上部磚房縱橫墻均勻?qū)ΨQ布置，沿平面內(nèi)宜對齊，同一軸線的窗間墻寬度宜均勻。下部框架抗震墻結(jié)構(gòu)，則要求柱網(wǎng)對應(yīng)上部磚房布設(shè)，盡可能使較多墻體落于柱網(wǎng)上。盡可能的將抗震墻對稱分散布置，使縱橫向抗震墻相連，縱向抗震墻應(yīng)布置在外縱軸線，增強抗傾覆能力，避免出現(xiàn)低矮抗震墻(高寬比小于1)，使層間剛度比使得結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心重合，減少地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。3結(jié)構(gòu)立面的均勻性、連續(xù)性底部框架抗震墻磚房結(jié)構(gòu)的顯著特點就是“上重下輕”。為盡可能降低結(jié)構(gòu)重心，應(yīng)嚴(yán)格控制房屋層數(shù)和總高，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GN50011－2001），底部結(jié)構(gòu)層高不應(yīng)超過4.5m。上部磚房各層建筑功能保持一致，墻體豎向應(yīng)對稱連續(xù)。對于出屋面的樓梯間,水箱間由于剛度突變,地震時容易引起鞭稍效應(yīng)，所以要盡可能地降低層高。只有建筑設(shè)計做到豎向規(guī)則連續(xù)才能保證豎向強度和剛度的均勻性，避免上部磚房出現(xiàn)薄弱層，減少應(yīng)力集中和變形集中。3.2抗震墻磚房的抗震設(shè)計1底層框架抗震墻的設(shè)計目前，底層框架抗震墻磚房的底層設(shè)計歸納起來存在以下三方面的問題：底層為大商場等有大空間使用要求時，底層抗震墻(一般為磚墻)設(shè)置得很少，其底層的側(cè)移剛度比縱橫墻較多的第二層小得多。這種結(jié)構(gòu)由于其地震傾覆力矩主要由鋼筋砼框架柱承擔(dān)，使得底層鋼筋砼框架柱的承載能力大為降低，底層成為較薄弱的樓層；在強烈地震作用下底層成為彈塑性變形和破壞集中的樓層，危及整個房屋的安全。要解決以上問題，首先，建筑平面布置時，應(yīng)考慮在適當(dāng)部位布置一些墻體。其次，采用鋼筋砼抗震墻來代替磚抗震墻，一片相同厚度、高度和長度砼墻的抗側(cè)剛度是磚墻的好幾倍，既可減少墻面數(shù)又能保證底層的側(cè)移剛度。2過渡層的設(shè)計抗震墻磚房的二層稱為過渡層。此層擔(dān)負(fù)著傳遞上部的地震剪力和上部各層地震力對底層樓蓋的傾覆力矩引起樓層轉(zhuǎn)角對第二層層間位移的增大，因而此層受力復(fù)雜，也顯得非常重要。對于底部框架抗震墻磚房，當(dāng)?shù)讓影纯拐鹨?guī)范要求設(shè)置一定數(shù)量的抗震墻后，房屋底部的側(cè)向剛度和水平承載力有較大提高；此時如果忽略過渡層墻體的側(cè)向剛度和水平承載力的降低，可能使房屋的過渡層成為薄弱層；由于過渡層磚砌體的變形能力較底層相對較差，因而將降低這種房屋的抗震性能。為避免上述情況發(fā)生，應(yīng)加強過渡層墻體的抗震構(gòu)造措施。以增加上部砌體結(jié)構(gòu)與底部鋼筋砼框架抗震墻結(jié)構(gòu)的連接和整體性，避免由于房屋上部及底部材質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)的自振頻率不完全一致，在地震作用下因上、下部連接不強而在二層樓面處形成脫接。3底部框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)注意的問題（1）注重概念設(shè)計選擇對抗震有利的建筑場地，簡化建筑體型，講究規(guī)則對稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，抗震結(jié)構(gòu)體系合理、明確等是確?？拐鹪O(shè)計合理的基本設(shè)計內(nèi)容。同時抗震設(shè)計應(yīng)滿足“小震”不壞“，中震”可修和“大震”不倒的設(shè)防目標(biāo)。底部框墻結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)不宜過大，一般控制在7.5m左右，并且框架梁上懸墻數(shù)目不應(yīng)超過一道。首先從使用功能上，底框結(jié)構(gòu)大多為商住樓，該跨度對應(yīng)上部可分割為兩開間，無論上部為住宅樓，還是辦公樓，開間尺寸都必須以滿足砌體結(jié)構(gòu)所能實現(xiàn)的功能。（2）嚴(yán)格控制側(cè)移剛度比現(xiàn)行抗震規(guī)范對底層框架磚房第二層與底層的側(cè)移剛度比不僅會影響地震作用下的層間彈性位移，而且對層間極限剪力系數(shù)分布、薄弱樓層的位置和薄弱樓層的彈塑性變形集中都有很