底层框架-剪力墙房屋的设计问题分析

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  【摘 要】针对底框结构设计中存在的问题,从房屋高度和层高、地震内力调整、剪力墙的厚度和配筋问题及其他应注意的问题,进行了分析探讨,提出了正确解决这些问题的方法。
  【关键词】底层框架;剪力墙;房屋;设计;分析
  剪力墙在地震区往往称剪力墙。剪力墙不但用于剪力墙结构体系中、框架剪力墙体系中还用于筒体结构体系和板柱剪力墙等结构体系中;不但广泛用于高层建筑中而且逐渐被用于低层或多层建筑。
  1 框架—剪力墙布置要求
  1.1 抗震设防的剪力墙结构宜双向布置剪力墙。
  1.2 剪力墙应沿两个主轴方向,均匀、对称、分散、周边原则布置,使结构体系的抗侧刚度中心尽量与质量中心接近。
  1.3 适宜布置位置:
  1.3.1 楼梯间、电梯间;
  1.3.2 横向剪力墙宜布置在接近房屋的端部但又非建筑物尽端;
  1.3.3 建筑平面的复杂位置。
  1.4 不宜布置位置:
  1.4.1 伸缩缝、沉降缝、防震缝两侧;
  1.4.2 建筑物尽端。
  1.5 纵向与横向剪力墻宜互相交联成组布置成T形、L形、口形等形状[1]。
  2 房屋高度和层数问题
  底层框架梁砖房和多层内框架砖房均属不同材料的结构构件混合承重的房屋。总体上属于不规则建筑结构体系,存在许多对抗震不利的因素,在抗震设计时必须严格控制下列技术要点,才不致造成安全隐患。
  底层框架房屋属于砖砌体为主要抗侧力构件的房屋,需要严格控制房屋的总高度和层数。
  底层框架砖房的总高度和层数限制,主要参考多层砖房并考虑了近年来底层框架砖房抗震试验和震害经验。从结构布置、托墙梁到过渡层均采取合理有效的加强措施后,房屋的总高度和层数可以同多层砖房;但日本阪神地震和台湾大地震中,上刚下柔的房屋震害十分严重,对9度设防应专门研究。
  底层内框架房屋的震害较重,海城和唐山地震后,1978年颁布的抗震设计规范已明确规定不能采用。目前,多层的单排到顶的内框架房屋基本上不采用;多层的多排柱到顶的内框架房屋,虽然仍可采用,因房屋的刚度和整体较差,故在应用范围和高度上应加以严格控制,以策安全[2]。
  底部框架房屋的建筑布置需要严格控制横墙间距、控制侧移刚度比等结构布置并加强底部框架顶板平面内刚性。
  设计主要内容:
  2.1 底部应沿纵、横两方向均匀对称或基本均匀对称布置一定数量的剪力墙,且过渡层与底部侧移刚度的比值,根据底部框架-剪力墙的层数和设防烈度的不同,分别予以控制。这个规定体现了抗震规范概念设计的要求,尽量减少因上下层刚度的突变而导致底部应力集中和变形集中,同时不使抗震薄弱层转移到上部的砌体层[3]。
  2.2 上部的砌体剪力墙与底部的框架梁或剪力墙应对齐或基本对齐。这个规定体现了抗震规范概念设计的要求,尽量减少地震作用转换的次数,使之有明确、合理的传递途径。
  2.3 底部框架-剪力墙结构的顶板应现浇,加厚和减少开洞,以保证地震作用能通过楼板传递到落地的剪力墙。
  2.4 落地的剪力墙,一般应采用钢筋混凝土墙,仅在低烈度设防且房屋层数较少时才允许采用砖剪力墙。落地剪力墙,不论混凝土剪力墙还是砖剪力墙,均应设置条形基础等刚度较好的基础。
  3 重视底部框架的地震内力调整问题
  由于底部框架砖房属于竖向不规则结构,当采用底部剪力法做简化计算,应进行一系列的内力调整,使之较符合实际。新抗规规则3.4.3条要求对刚度小的软弱层加大地震剪力。
  底部框架-剪力墙房屋刚度小的底部,地震剪力应适当加大,其值根据上下的刚度比确定,刚度比较大,增大越多。同时,增大后的地震剪力应全部由该方向的剪力墙承担[4]。
  新抗规规则7.2.5条给出了增大后的底部地震剪力按考虑二道设防进行分配的原则:由框架承担一部分;同时,还应考虑由地震倾覆力矩引起的框架柱附加轴向力。
  规范3.4.3条给出了不落地剪力墙传递给水平转换构件(框架梁等)的地震内力需乘以适当的增大系数的要求。
  即使底部框架砖房整体计算时上下侧向刚度比接近,考虑不落地砖剪力墙的轴线仍为上刚下柔,底部的地震剪力仍需加大。检查底框剪力,查看底部的地震剪力增大情况及次梁托墙的计算情况。
  4 剪力墙结构的厚度和配筋问题
  墙的水平分布筋是为横向抗剪以防止墙体在斜裂缝出现后发生脆性剪切破坏,同时起到抵抗温度应力防止混凝土出现裂缝,设计中当建筑物较高较长或框剪结构时配筋宜适当增加[5],特别在连梁部位或温度、刚度变化等敏感部位宜适当增加。但对于矮、短的房屋,其水平筋的配筋率是否适当减小值得探讨。
  墙的竖向钢筋主要起抗弯作用,目前在一些多层低高层剪力墙中电算结果多为构造配筋;但配筋时所取的配筋率有人往往扣除了约束边缘构件或构造边缘构件中的钢筋,笔者认为竖向最小配筋率应该包括边缘构件中的钢筋,墙肢的竖向配筋原则也应该尽量将钢筋布置在墙端部边缘区并保证钢筋间距≦300mm,也应该注意防止竖筋过多使墙的抗弯强度大于抗剪强度,对抗震不利。
  5 其他问题
  5.1 底层框架-剪力墙结构的地下室的层数计入底框允许层数内问题
  若地下室嵌固较好,则底层框架-剪力墙结构的地下室的层数可不计入底框结构允许层数内。
  5.2 砖墙基础埋深较大,构造柱伸至基础底部问题。
  新抗规中规定:构造柱可不单独设置基础,但应伸入室外地面下500mm,或锚入浅于500mm的基础圈梁中内两条满足其中的一条即可。但需注意此处的基础圈梁是指位于地面以下的,而不是位于±0.0的墙体圈梁。构造柱的钢筋伸入基础圈梁内满足锚固长度的要求。
  对于底层框架砖房部分,一般允许将砖房部分的构造柱锚固于底部的框架柱或钢筋混凝土剪力墙内(上层与下层的侧移刚度比应满足要求)。
  5.3 底层框架-剪力墙房屋的过渡层和底层的侧向刚度比进行控制,不允许底层刚度大于上部砌体的刚度问题。
  规范对底层框架-剪力墙底层的过渡层和底层的侧向刚度比进行控制,主要目的是减少底部的薄弱程度,防止底部结构出现过大的侧移而严重破坏,甚至倒塌。但是底层刚度大于上部砖混结构刚度,则可能使薄弱层转移至过渡层,过渡层的延性不如底部,易产生脆性破坏。底层框架-剪力墙房屋的过渡层和底层的侧向刚度比要控制在下一个合理的范围内。
  5.4 砌体结构设计规范中考虑了墙梁组合作用,底部框架-剪力墙砌体结构的钢筋混凝土托墙梁是否可以考虑共同作用对地震作用进行折减问题。
  从试验室的试验和有限元分析的结果看,墙梁组合作用十分明显,但其受力状况也是非常复杂的。考虑到实际地震作用与试验室条件的差异,地震时梁上的墙体严重开裂,或者出平面倒塌,震害十分严重。底框结构的托墙梁与非抗震设计时的墙梁受力状态有所差异。当按静力方法计算有框架柱落地的托梁与上部墙体的组合作用时,从安全角度考虑,应调整计算参数。GB50011规范在7.2.5条的条文说明中,给出了当托墙梁上部各层墙体不开洞和在跨中1/3范围内开下一个洞口的情况下,弯矩计算的简化、偏于安全的方法。在对托墙梁进行剪力计算时,由重力荷载产生的剪力不折减。
  5.5 底框结构中,上部砌体结构部分是否可以采用小型混凝土空心砌块问题。
  GB50011规范中关于底框结构的规定适用于砖砌体房屋,底框结构中原则上可以采用小型空心混凝土砌块,若采用小型空心砌块,应按有关法规要求报审。
  参考文献:
  [1]贾秉胜. 底部框架—抗震墙结构设计中有关问题的探讨[J]. 山西建筑, 2005,(14)
  [2]刘春英, 刘群. 浅谈钢筋混凝土抗震墙设计的几个问题[J]. 辽宁建材, 2004,(04)
  [3]张元坤, 张海鸥. 抗震墙非典型墙肢配筋形式探讨[J]. 广东土木与建筑, 2002,(04)
  [4]沙安, 孙建华, 白雪霜, 毋剑平. 《建筑抗震设计规范》GB50011-2001 问答(8)[J]. 工程抗震, 2003,(04)
  [5]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 配筋混凝土小型空心砌块抗震墙房屋抗震设计要求(附录F)[J]. 建筑砌块与砌块建筑, 2010,(06)
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