底框结构设计概述

底框结构设计概述
底框结构是我国现阶段经济条件下特有的一种结构，从抗震上讲它是一种不合理的结构形式，但限于我国当今的经济发展水平，目前还无法取消，因此在我国内地及广大中西部地区临街建筑中仍普遍采用。其具有“头重脚轻”、上刚下柔、的特点，为保证实现“小震不坏，中震可修，大震用不倒”的抗震原则，《建筑设计抗震规范》（GB50011-2001）对底框结构底部框架层与上层刚度比做出了明确规定，其中底层框架，第二层与底层侧向刚度比，6、7度时不应大于2.5，8度不应大于1.5，且均不应小于1.，要做到这一点，必须在底部框架中布置一定数量的的抗震墙。结构设计中抗震墙如何设置，有时需要反复计算，多次与建筑专业协调。作者在总结多年底框架结构工程设计的基础上，对剪力墙布置中的若干问题提出以下解决办法。
1 剪力墙布置原则
底框架结构中的剪力墙既是承担竖向荷载的主要构件，更是承担水平力的主要构件，在地震中起第一道 防线作用，因此在设计时要考虑底部剪力墙承担100%的水平地震作用，而框架只承担小部分的地震力作为安全储备。震害观测表明，底框砖房在地震时底层将发生变形集中，会出现过大的侧移而严重破坏甚至倒塌。有鉴于此，新规范在近十几年各地试验研究的基础上，对底框架结构剪力墙的布置做出了更科学的调整。
首先抗震墙间距要满足最大横墙间距限制，6、7、8度设防区最大横墙间距分别为21m、18m、和1 5m。
其次，剪力墙应沿2个主轴方向都有布置，使之形成直角以更好地发挥抗震作用。
另外要克服矫枉过正的偏见，有些设计人员认为既然底框结构底层薄弱就多布置一点剪力墙越强越好，实际上是走向另一个极端。剪力墙的设置应与上部砌体结构相协调，抗震设计的原则是沿楼层间侧移刚度应均匀变化 ，而不允许各层间发生突变。
2 剪力墙使用材料
规范中规定6、7度且总层数不超过5层的底框房屋，应允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙砌体抗震墙适用于总层数少、柱距较小、平面规整的建筑，它造价低，施工方便。但无率是在使用上或抗震上，还是采用混凝土墙好。计算其在相同高度和截面尺寸下的刚底之比，先假设它们同为整体墙（开小洞口），由整体墙截面的等效抗弯刚底公式：
EIeq=EIw/1+9ulw/Awh)
式中，E为剪力墙弹性模量；I为考虑洞口影响后的水平截面惯性矩；U为截面上剪 应力不均匀系数，矩形截面取1.2；Aw为考虑洞口影响后的水平截面折算面积；H为剪力墙计算。
因Iw\AwH仅与墙的几何尺寸相关，由假设可知混凝土剪力墙与砖剪力墙的上述参数相等过样它们的刚度比就成为材料弹性模量之比。由《混凝土的结构设计规范》（GB50010-2002）表4.1.5可得，C30混凝土的弹性模量Ec=3×10Mpa.由《砌体结构设计规范》（GB50003-2002）表3.2.1-1得Mu10砖、M10砂浆砌体的抗辰强度f=1.89Mpa。所以同一位置相同几何条件的混凝土剪力墙与砖剪力墙的刚度之比i=EC/Em=3×10/3024=9.92。
经验算这一结果对于几何条件相同的小开口墙和连肢墙同样适用。因此相同条件下C30混凝土墙刚度相当于Mu10砖、M10砂浆砖墙的9.92倍，由此可见采用混凝土墙可大减少底层剪力墙的数量，经笔者总结多个底框工程实例经验，常规底框结构设计时既符合抗震，又较经济合理的混凝土剪力墙截面积大约占上层砖混结构同方向墙截面积的5%~10%，而要达到同样要求所需的砖砌体剪力墙则远远大于这个比例，所以采用混凝土墙可使底层开间布置更加灵活，可利用空间更大。由于用量少，总造价也仅比砖砌体剪力体系，使结构遇地震时延性增大，避免了出现脆性破坏的概率。现在新规范已经缩小了6、7度时采用砖剪 力墙范围，并对底层砖剪力墙的构造做出了专门规定，因此应尽量选用混凝土剪力墙。
3 剪力墙布置方式
框剪结构剪力墙布置有8字方针，即“周边，均匀，对称，相交”。底框结构中山墙一般要布置剪力墙，因为只在每个住宅单元楼梯间两侧布置混凝土毅力墙的底框结构是不宜采用的。
相关试验表明，加大底层空旷房屋两端平面刚度，对底层框架端部竖向位移进行控制，可有效增加底层杠架的安全储备，但尽管如此布置也并不全周边，中间还需要很多剪力墙。因此底框结构8字方针可概括为“竖直，均匀，对称，相交”，所谓竖直就是在布置底层剪力墙时应尽量对应上部上下竖直、中间不间断的墙体，否则即使底层布置的剪力墙刚度再大，若竖向无对应的上部墙体，不仅传力途径不直接，且上下层刚心相距较远，地震时上部墙体与底层剪力墙间会形成很大扭矩，极易破坏。
另外，布置底层剪力墙时要避开上部墙体洞口，若具体执行时实在难以避开，（例如楼梯间入户门等），那么应采取在上部洞口两侧增加构造柱等加强措施，以更好地传递地震力。对个别剪力墙未能与上层砖墙对应者，应设法加大底层与二层转换层之间楼板的平面内刚度例如楼板加厚，配筋率增加，双向双层配筋等。所谓相交主要是指剪力墙应尽量布置成L形和T形，以使它们相互支撑，增大每片单肢墙的平面外刚度，增强抗扭性。
具体设计时剪力墙的长度、开洞等均需通过计算确定。剪力墙的计算长度确定后、应将实墙面布置在两端中间用洞口分隔，避免采用一端有剪力墙而另一端为独立柱的方式。总之混凝土剪力墙具体布置时宜开设洞口形成若干墙段，并保证各墙段高宽比不小于2。
4 剪力墙施工顺序
底框架结构中底层墙体并不全是剪力墙，也有一部分是用于分割空间的填充墙。一般当为混凝土剪力墙时，其区分非常明确，混凝土剪力墙以外的砖墙均为填充墙体，施工时混凝土剪力墙与框架柱同时浇筑，而填充墙应待混凝土与框架柱达到设计强度，甚至主体完工后再施工；但当底层剪力墙采用嵌砌于杠架柱间的砖墙时区分就不明确了，需设计人员出图说明。剪力墙和填充墙施工顺序不一致，砌体剪力墙必须与其周边混凝土框架形成整体，才能充分发挥其抗侧力作用。为保证与周边混凝土框架紧密结合，应先砌墙后浇框架柱，砌墙时要预留马牙槎，预埋锚拉筋，且框架梁直接坐于墙顶，不需再支底模；而填充墙的施工时间则要晚得多，一般是在主体完工时后砌，墙顶预留二三皮砖，待沉实后再斜砖及砂浆填充。
5 剪力墙、如何正确计算
底框结构上下层侧向刚度比是有方向性的，一般只计算主轴方向的侧向刚度比。对矫形布置的规则结构，其主轴方向即为互相垂直的X和Y向，现在常用的底框计算软件中国建筑科学研究开发PKPM程序底框计算也只给出X向和Y向侧向刚度比，这就给两主轴不下交或L形、T形建筑的侧向刚度比难处带来一定的横墙来计算刚度比，这样从电脑的计算结果看K0和K90（0°和90°方向的刚度比）满足要求了，实际上局部单肢的K0°和K90°远远不能满足上述问题表面上是程序本身的问题但实质上是计算模型错误。
当前一些设计人员口重视上机计算而忽视基础理论的学习，电脑程序必须建立在正确的计算模型上，这是计算结果正确的技术前提。因此在输入计算机前必须认真分析结构的特性，首先建立一个模型，并仔细阅读计算机设计软件的编制原理、使用说明及技术条件与本工程相后才能正确使用计算机运算，准确辨析计算结果的正误。L形建筑正确的计算机运算，单肢计算时适当考虑另一肢的影响，这样才能防止两肢互相干扰从而得出正确的结论，至于双主轴不下交的建筑，在输机前宜先用手算。
通过以上5个问题的分析，可得出以下结论：
（1）首先应满足规范对剪力墙布置中强制性条文要求，台间距；双主轴均布等；
（2）应尽可能采用混凝土剪力墙；
（3）布置时遵循“竖直，均匀，对称，相交“的8个字方针；
（4）施工时必须区分剪力墙与填充墙；
（5）不规则平面布局的剪力墙电算时应根据具体问题具体分析。