底框結構設計中應注意的幾個問題
發布時間：2010-01-14 共1頁
1 前言
對于地震區需要抗震設防的多層商住建筑，底層為鋼筋混凝土框架的空間商店，上部為小開間磚房或砌塊建筑。結構設計中有的未作縱橫兩方面的抗震驗算(包括承載力和變形)，有的僅作了橫向底層框架的驗算，而縱向卻按一般連續梁計算。在構造上，有些設計忽視了在底層縱橫方向設置一定數量的抗震墻，或只有橫向抗震墻，使整幢建筑上剛下柔，或橫剛縱柔；地震作用下即容易產生較的彈塑性變形。如果框架柱箍筋間距太，特別是在柱上、下端箍筋沒有按規范要求進行加密時，其破壞就更加嚴重。此類建筑即使是全框架結構，從震害的調查來看，也有許多同樣的破壞情況。抗震結構在總體布置上有兩忌：一是上部剛度，底層僅有柱的雞腿式建筑；二是平面剛度不均勻，產生扭轉的建筑。兩者在設計上全是難以解決的問題。有足夠剪力墻或有核心筒的建筑，對維持整體穩定有利，并很程度上減弱框架的受力；對一般建筑盡可能做框剪結構，避免做純框架結構，以節約建筑材料。
2 常見問題
1）抗震設防不當
商住多層建筑近年來在中、小城市中很常見，即將一層作商場，然后在其上建造住宅或寫字樓等建筑。此種結構形式實際計算屬下柔上剛，對抗震極為不利，如果不加抗震墻，做成底層純框架而上部磚混的結構，在地震區將存在一些問題。
除底層不設抗震墻外，此類建筑還有超高和超層問題。如某農貿市場設層高3.2m的“半地下室”1層（南面開敞，在地面以上，北面埋入土內），市場部分層高為6.5m，并在周邊設置夾層（實際應算作兩層，而其中間部分為1層，結構上按復式框架考慮），其上為6層2.8m高的住宅，因此總高度達26.5m，總層數為8～9層，超過《建筑抗震設計規范（GB50011- 2001）》（以下簡稱《抗規》）中此類建筑在七度地震區總高度≤22m和總層數≤7層的規定。而且由于商場在使用上的要求，框架梁的跨度及荷載都較，使得梁的截面尺寸較，而中間柱高度相對較高，從而使得梁的剛度較，而按《抗規》要求，抗震結構體系中的混凝土構件，應避免剪切先于彎曲破壞，混凝土的壓潰先于鋼筋屈服，鋼筋錨固粘結先于構件破壞，因此違背了“強剪弱彎、強柱弱梁和強節點”的設計準則。綜觀某縣級市的多個農貿市場及其它底盤的商住建筑，包括正在建設中的底盤商住建筑，或多或少均存在上述問題，其設計思路仍然沿用非地震區的設計思路，如遇地震災害，則上述底盤建筑因結構上未設防或設防不當，其后果將變得非常嚴重。
2）建筑布置不合理
《抗規》第3.4.2條明確規定“建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減少，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變”。但在實際工作中，建筑布置的合理性往往被忽視。目前的一些建筑設計，由于仍沿襲不設防時的設計思路，將抗震基本要求擱置一邊，為片面追求建筑效果，將底層框架房屋平面上多處凹進凸出，導致各部分質量極不均勻，建筑物外縱墻多處被人為割斷，嚴重影響抗震剛度。此外，在立面上又設置了許多不利于抗震的裝飾物，如某公寓女兒墻竟高達3m以上。，如果上述問題解決得不好，抗震設防問題就會越積越多，一旦發生地震，代價將會十分慘重。
3）人為因素
抗震設防問題設計人一定要重視，應當嚴格遵守《抗規》的相關要求進行設計。在日常設計中注意下面的情況：
a)仔細理解規范的要求，搞清楚底框結構在地震時的破壞情況。上面幾層砌體結構，由于開間小、橫墻多，不僅重量，側移剛度也，而底層框架側移剛度比上層小得多。剛度的急劇變化使得在結構剛柔交接處，應力高度集中，在柱端產生塑性鉸，并使房屋的變形集中發生在相對薄弱的底層。這種比較薄弱的底層或中間層，可稱之為“軟層”，對于這種“軟層”在抗震設計中應引起足夠重視。
b)底層框架一般為空間的公共建筑，由于使用功能上的需要，在客觀上給縱橫抗震墻的布置帶來了不少困難。
c)設計人有時未作詳細計算，僅憑習慣上的概念，錯誤地認為底層框架的側向剛度一定比磚房好，縱向框架側向剛度一定比橫向好，而實際上并非如此。
3 防治措施
對于底層框架抗震墻的磚房，底層框架抗震墻和上部磚房部分均具有一定的抗震能力，但這兩部分不同承重和抗側力體系之間的抗震性能是有差異的，而且其過渡樓層的受力也比較復雜。為了使這類房屋的抗震設計滿足“小震不壞”，“中震可修”和“震不倒”的抗震設防目標，其防治措施可從以下幾個方面進行考慮：
1)底層框架磚房的底層，不應采用純框架結構。結構設計人員要及早介入建筑方案與初步設計，并和建筑工種與建設單位反復協商，在不影響或少影響功能的前提下，使縱橫外墻、室內分隔墻等盡量對稱，并均勻地在縱橫兩個方向設置一定數量的抗震墻，使上層與底層的縱橫向側移剛度比，能夠滿足規范要求。根據《砌體結構設計規范(GB50003- 2001)》條文說明，底層設置一定數量抗震墻的框支墻梁房屋模型振動臺試驗表明，其抗震性能不僅不比同樣層數的多層房屋低，甚至還要好些。所以，在底框結構中合理設置一些抗震墻是非常重要的。
2)底部剪力法僅適用于剛度比較均勻的多層結構，對于具有薄弱底層的底層框架磚房，應考慮塑性變形集中的影響。另外，經分析知道提高軟層的屈服強度可以減少軟層塑性變形的集中。因此，底部剪力法對底層地震剪力要乘以一個1.2～l.5的增系數。
3)底層框架磚房的剪力分配不能按照框架抗震墻的方法進行，因為底層框架磚房只有底層是框架抗震墻，且底層還有塑性變形，所以要采取雙保險的辦法。對抗震墻要使其承擔全部剪力，對框架要按剛度比分配，不過要注意，在剛度計算時框架是按彈性計算的，而抗震墻開裂后剛度會退化。據有關試驗數據得知，其剛度將下降到彈性剛度的20～30％。
4)底房框架柱應考慮地震的傾復力矩引起的附加軸力。
5)在底層框架磚房的上層，構造上仍應設置構造柱，并應每層設置圈梁，底層的頂板應為現澆或裝配整體式樓蓋。軟層中的柱，特別是結構剛柔相接的地方，要避免出現塑性鉸。
6)設計人員要轉變設計思路，提高設計部門及設計人員的業務素質，盡快走出“不設防”的誤區。要在嚴格執行《抗規》的前提下，在合理的平面布置上多做文章，同時設計單位可安排專人嚴把抗震設計關。
巖土工程師站點
對于地震區需要抗震設防的多層商住建筑，底層為鋼筋混凝土框架的空間商店，上部為小開間磚房或砌塊建筑。結構設計中有的未作縱橫兩方面的抗震驗算(包括承載力和變形)，有的僅作了橫向底層框架的驗算，而縱向卻按一般連續梁計算。在構造上，有些設計忽視了在底層縱橫方向設置一定數量的抗震墻，或只有橫向抗震墻，使整幢建筑上剛下柔，或橫剛縱柔；地震作用下即容易產生較的彈塑性變形。如果框架柱箍筋間距太，特別是在柱上、下端箍筋沒有按規范要求進行加密時，其破壞就更加嚴重。此類建筑即使是全框架結構，從震害的調查來看，也有許多同樣的破壞情況。抗震結構在總體布置上有兩忌：一是上部剛度，底層僅有柱的雞腿式建筑；二是平面剛度不均勻，產生扭轉的建筑。兩者在設計上全是難以解決的問題。有足夠剪力墻或有核心筒的建筑，對維持整體穩定有利，并很程度上減弱框架的受力；對一般建筑盡可能做框剪結構，避免做純框架結構，以節約建筑材料。
2 常見問題
1）抗震設防不當
商住多層建筑近年來在中、小城市中很常見，即將一層作商場，然后在其上建造住宅或寫字樓等建筑。此種結構形式實際計算屬下柔上剛，對抗震極為不利，如果不加抗震墻，做成底層純框架而上部磚混的結構，在地震區將存在一些問題。
除底層不設抗震墻外，此類建筑還有超高和超層問題。如某農貿市場設層高3.2m的“半地下室”1層（南面開敞，在地面以上，北面埋入土內），市場部分層高為6.5m，并在周邊設置夾層（實際應算作兩層，而其中間部分為1層，結構上按復式框架考慮），其上為6層2.8m高的住宅，因此總高度達26.5m，總層數為8～9層，超過《建筑抗震設計規范（GB50011- 2001）》（以下簡稱《抗規》）中此類建筑在七度地震區總高度≤22m和總層數≤7層的規定。而且由于商場在使用上的要求，框架梁的跨度及荷載都較，使得梁的截面尺寸較，而中間柱高度相對較高，從而使得梁的剛度較，而按《抗規》要求，抗震結構體系中的混凝土構件，應避免剪切先于彎曲破壞，混凝土的壓潰先于鋼筋屈服，鋼筋錨固粘結先于構件破壞，因此違背了“強剪弱彎、強柱弱梁和強節點”的設計準則。綜觀某縣級市的多個農貿市場及其它底盤的商住建筑，包括正在建設中的底盤商住建筑，或多或少均存在上述問題，其設計思路仍然沿用非地震區的設計思路，如遇地震災害，則上述底盤建筑因結構上未設防或設防不當，其后果將變得非常嚴重。
2）建筑布置不合理
《抗規》第3.4.2條明確規定“建筑及其抗側力結構的平面布置宜規則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減少，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變”。但在實際工作中，建筑布置的合理性往往被忽視。目前的一些建筑設計，由于仍沿襲不設防時的設計思路，將抗震基本要求擱置一邊，為片面追求建筑效果，將底層框架房屋平面上多處凹進凸出，導致各部分質量極不均勻，建筑物外縱墻多處被人為割斷，嚴重影響抗震剛度。此外，在立面上又設置了許多不利于抗震的裝飾物，如某公寓女兒墻竟高達3m以上。，如果上述問題解決得不好，抗震設防問題就會越積越多，一旦發生地震，代價將會十分慘重。
3）人為因素
抗震設防問題設計人一定要重視，應當嚴格遵守《抗規》的相關要求進行設計。在日常設計中注意下面的情況：
a)仔細理解規范的要求，搞清楚底框結構在地震時的破壞情況。上面幾層砌體結構，由于開間小、橫墻多，不僅重量，側移剛度也，而底層框架側移剛度比上層小得多。剛度的急劇變化使得在結構剛柔交接處，應力高度集中，在柱端產生塑性鉸，并使房屋的變形集中發生在相對薄弱的底層。這種比較薄弱的底層或中間層，可稱之為“軟層”，對于這種“軟層”在抗震設計中應引起足夠重視。
b)底層框架一般為空間的公共建筑，由于使用功能上的需要，在客觀上給縱橫抗震墻的布置帶來了不少困難。
c)設計人有時未作詳細計算，僅憑習慣上的概念，錯誤地認為底層框架的側向剛度一定比磚房好，縱向框架側向剛度一定比橫向好，而實際上并非如此。
3 防治措施
對于底層框架抗震墻的磚房，底層框架抗震墻和上部磚房部分均具有一定的抗震能力，但這兩部分不同承重和抗側力體系之間的抗震性能是有差異的，而且其過渡樓層的受力也比較復雜。為了使這類房屋的抗震設計滿足“小震不壞”，“中震可修”和“震不倒”的抗震設防目標，其防治措施可從以下幾個方面進行考慮：
1)底層框架磚房的底層，不應采用純框架結構。結構設計人員要及早介入建筑方案與初步設計，并和建筑工種與建設單位反復協商，在不影響或少影響功能的前提下，使縱橫外墻、室內分隔墻等盡量對稱，并均勻地在縱橫兩個方向設置一定數量的抗震墻，使上層與底層的縱橫向側移剛度比，能夠滿足規范要求。根據《砌體結構設計規范(GB50003- 2001)》條文說明，底層設置一定數量抗震墻的框支墻梁房屋模型振動臺試驗表明，其抗震性能不僅不比同樣層數的多層房屋低，甚至還要好些。所以，在底框結構中合理設置一些抗震墻是非常重要的。
2)底部剪力法僅適用于剛度比較均勻的多層結構，對于具有薄弱底層的底層框架磚房，應考慮塑性變形集中的影響。另外，經分析知道提高軟層的屈服強度可以減少軟層塑性變形的集中。因此，底部剪力法對底層地震剪力要乘以一個1.2～l.5的增系數。
3)底層框架磚房的剪力分配不能按照框架抗震墻的方法進行，因為底層框架磚房只有底層是框架抗震墻，且底層還有塑性變形，所以要采取雙保險的辦法。對抗震墻要使其承擔全部剪力，對框架要按剛度比分配，不過要注意，在剛度計算時框架是按彈性計算的，而抗震墻開裂后剛度會退化。據有關試驗數據得知，其剛度將下降到彈性剛度的20～30％。
4)底房框架柱應考慮地震的傾復力矩引起的附加軸力。
5)在底層框架磚房的上層，構造上仍應設置構造柱，并應每層設置圈梁，底層的頂板應為現澆或裝配整體式樓蓋。軟層中的柱，特別是結構剛柔相接的地方，要避免出現塑性鉸。
6)設計人員要轉變設計思路，提高設計部門及設計人員的業務素質，盡快走出“不設防”的誤區。要在嚴格執行《抗規》的前提下，在合理的平面布置上多做文章，同時設計單位可安排專人嚴把抗震設計關。
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