底部框架—抗震墙房屋的设计

底部框架—抗震墙房屋的设计
一、前言
对城镇临街建筑及居民小区建筑，经常要考虑到商业经营和办公的需要，做成底层框架－抗震墙、上部多层砌体房屋，以增加底层空间、便于灵活布置。对于这种结构形式，从抗震上讲是不利的，但因其在使用上的方便性、灵活性以及造价低廉等优点而被广泛应用。本文将结合工程实例以及当前普遍使用的PKPM软件，对这种结构形式的设计作些阐述。
二、底部框架－抗震墙房屋的震害及其分析
底部框架－抗震墙房屋是由底层或底部两层为框架－抗震墙，上部为多层砖房构成。这类结构的底层或底部两层具有一定的抗侧力刚度和一定承载能力、变形能力以及耗能能力；上部多层砖房具有较大的抗侧力刚度和一定的承载能力，但变形和耗能能力相对较差。这类结构的整体抗震能力既决定于底部和上部各自的抗震能力，又决定于底部和上部的抗侧力刚度和抗震能力的相互匹配程度，也就是不能存在特别薄弱的楼层。
震害调查和试验研究表明，当底层无抗震墙或抗震墙数量较少时，底部框架－抗震墙房屋的震害集中在底层框架部分，且墙比柱重，柱比梁重。破坏状态显示：抗震墙沿对角线方向发生剪切破坏（出现交叉斜裂缝），框架柱上下端产生水平裂缝并局部压溃，形成柱铰机构，个别框架梁两端出现竖向裂缝。震害原因在于结构上刚下柔或抗侧力刚度上强下弱，加之底层所受地震作用相对较大，造成底层框架－抗震墙变形过分集中，位移太大而丧失承载力破坏。而上部各层砌体除了部分因连接构造太差而发生失稳破坏，一般基本完好或轻微破坏（开裂），层间相对位移较小。当底层设置的抗震墙太多时，其震害现象与多层砌体房屋类似，一般是第二层墙体（即过渡层）破坏严重。
三、底部框架－抗震墙房屋设计的注意事项
建筑抗震设计规范（GB 50011－2001）从结构布置、计算要点以及构造措施等方面对底部框架－抗震墙房屋的设计提出了具体要求。
1．结构布置：
底部框架－抗震墙房屋的层数和总高度的限制；房屋抗震横墙的间距限制，该项限制主要是为了满足楼盖对传递水平地震力所需的刚度要求，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到抗震横墙上。上部砌体抗震墙与底部的框架梁或抗震墙应对齐或基本对齐；房屋的底部，应沿纵横两方向设置一定数量的抗震墙，并应均匀对称布置或基本均匀对称布置。底部框架－抗震墙房屋的框架和抗震墙的抗震等级，6、7、8度可分别按三、二、一级采用。
2．计算要点：
层刚度比的控制，底层框架－抗震墙房屋的纵横两个方向，第二层与底层侧向刚度的比值，6、7度时不应大于2.5，8度时不应大于2.0，且均不应小于1.0。控制侧向刚度比，是为了使底部框架－抗震墙砖房的弹性位移反应较为均匀，减少在强烈地震作用下的弹塑性变形集中，从而提高整个房屋的整体抗震能力，防止底部结构出现过大的侧移而导致建筑物严重破坏。另外,侧向刚度比也不应小于1.0，即底层的纵、横向抗震墙也不应设置的过多，避免底层过强将薄弱层转移到上部的过渡层。在设计的过程中，设计人员按规范要求设置抗震墙后，过渡层与其下相邻层的刚度比的上限一般较容易满足，但下限“均不小于1.0”的要求很难满足。这一现象在底部密柱、层高较低时表现得尤为突出。碰到这种情况，有以下方法处理：减少底部抗震墙得数量；在上层墙体结构中增加构造柱（在墙体中部）；将部分剪力墙延伸到过渡层。
地震作用的计算，对底层框架－抗震墙房屋，底层得纵向和横向地震剪力设计值应乘以增大系数，其值应允许根据第二层与底层侧向刚度比值得大小在1.2～1.5范围内选用。在程序设计①中，一般用公式
(一层底框)
(二层底框)
对于式中0.17的系数，个人认为应采用0.20较好，这样更能和规范相统一起来。
底层的设计地震剪力问题，规范中要求底层纵向和横向的地震剪力设计值应全部由该方向的抗震墙承担，并按各抗震墙侧向刚度比例分配。这样规定，主要是考虑到抗震墙的侧向刚度比框架的大很多，按刚度分配的话，框架承担的水平地震剪力仅占总水平地震剪力很小的一部分。从安全的角度出发，考虑到抗震墙的刚度降低将引起框架承担剪力的增大。规范规定，框架柱承担的地震剪力设计值按各抗侧力构件有效侧向刚度比例分配确定，
底层倾覆力矩在抗震墙和框架柱间的分配问题，同时框架柱的轴力应计入地震倾覆力矩引起的附加轴力。
3．构造措施：
建筑抗震规范（GB50011-2001）7.5节，对底部框架-抗震墙房屋抗震构造措施进行了详细明确的规定，其中对该类型房屋的楼盖和托墙梁定为强制性条文，是我们在设计工作中必须严格遵守的。在此，对于构造措施不再一一赘述。
四、利用PKPM软件进行底框房屋设计
PKPM CAD系列建筑软件是目前使用最广的结构设计软件，底部框架－抗震墙结构可以由该软件中的SATWE或TAT、PK三个模块分别完成。软件计算原理：上部砌体结构的计算与把整体房屋视作砌体房屋相同；底部框架－抗震墙结构的计算，把房屋在底框顶层楼板处水平切开，将上部砌体的外荷载和结构自重作用在底框顶部，不考虑上部砌体的刚度贡献，把底框结构作为独立结构分析。从原理可以看出，软件计算的托梁和砌体规范（GB50003－2001）中的墙梁从计算模式是不同的。另外，需要明确的是在利用SATWE计算下部底部结构时，没有考虑风荷载的作用。
下面，结合一工程实例就利用软件计算中需要注意的问题作一下探讨：
1. 底层剪力墙的布置和计算
（1）剪力墙的布置应“均匀、对称、周边、分散”。对此，《抗震规范》对此有详细的叙述，除以上原则外，剪力墙的布置还要考虑上面几层的质心位置，使底层纵横向的刚心尽可能与整栋房屋的质心重合。
（2）低矮剪力墙的避免。规范规定：高宽比小于1时，可以仅计算剪切变形；高宽比不大于4且不小于1时，应同时计算弯曲和剪切变形。高宽比大于4时，等效侧向刚度不考虑。高宽比小于1时，称为低矮剪力墙，它的变形和耗能能力很差，破坏形式为剪切破坏（脆性破坏）。所以工程中应避免使用，或者应利用结构缝将其分开。
（3）剪力墙开洞口。底部框架—抗震墙房屋进行设计时，所布置的抗震墙既要满足侧移刚度比限值的要求，又要满足承载力计算的要求。经常遇到承载力验算不满足，增加抗震墙的数量或厚度，满足了承载力验算的要求，但侧移刚度比限值又不满足了的问题，解决的办法主要是设置结构洞口，即采用在钢筋混凝土抗震墙上设置洞口并采用轻质砌块材料填实的方法，将抗震墙的刚度降低，在满足承载力验算的要求的同时符合侧移刚度比限值的要求。上面图一所示较大的横墙上都开有结构洞口，采用砖砌体填充。
但是，针对PKPM软件，其对带洞口的混凝土抗震墙均按小洞口混凝土墙处理，对大洞口混凝土抗震墙用户在结构建模时将墙段作为独立墙输入。对小开口墙段按毛截面墙计算刚度，并乘以洞口影响系数 ： （d，b－洞口尺寸；l，h－墙截面尺寸）。
一般情况下当 时，不能按整片墙输入。另外当洞口上连梁的跨高比大于2.5时，也应按两片墙输入。原因在于，我们常说的小开口墙就是要保证洞口上下墙体（或连梁）有足够的刚度。连梁跨高比较大，抵抗水平力的能力就有限，此时的内力图将有较大变化。
2. 底框托梁上的荷载及设计
因底框托梁承受上部房屋墙体及楼面的荷载较大，如何处理上部荷载对托梁的设计影响成为关键问题。目前，PKPM软件仅提供了三种方法：1）全部作为均布荷载作用，此时用户输入的上部荷载折减系数为1.0；2）近似地将部分荷载作为均布荷载，其余作为集中荷载作用到柱子上。此时用户输入的荷载折减系数小于1.0；3）规范方法，即考虑墙梁组合作用对托梁进行计算。实际设计中，一般采用如下规定：当抗震设防烈度为8度及以上时，上部荷载不折减，采用方法1），托梁配筋与普通梁一样按受弯构件计算；当设防烈度为6、7度时，上部荷载可以考虑折减系数。当输入的折减系数不宜太小，一般可输入0.7～0.9，但不应少于四层荷载值。
五、结语
底框－抗震墙结构作为一种经济有效的结构形式，适应我国当前经济发展的需要。尽管其抗震性能不是很好，但只要设计人员严格按照规范和人们的实践和试验经验进行设计，完全能够满足人们的需要。