80年代以來，我國住宅建筑業(yè)迅猛發(fā)展，其中底層帶商店的住宅建筑（或旅館、辦公樓建筑）大量涌現(xiàn)。由于這種類型建筑能方便群眾生活、施工簡單、造價低廉，從而受到建設(shè)單位和投資者的歡迎。這類房屋承重結(jié)構(gòu)體系通常在底層采用現(xiàn)澆的框架-剪力墻鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，第二層以上是磚墻承重的混合結(jié)構(gòu)，形成“下柔上剛”，對抗震十分不利。地震時，這類房屋的變形主要集中在底層，若底層桿件變形超過極限變形允許值而破壞，就會導(dǎo)致整幢房屋的倒塌。這種震害現(xiàn)象在國內(nèi)外多次地震中已屢見不鮮。在1995年1月17日，日本阪神大地震中，也發(fā)現(xiàn)了類似的破壞現(xiàn)象，并引起國內(nèi)外結(jié)構(gòu)專家和技術(shù)人員的密切關(guān)注。在我國現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計規(guī)范中雖然對“底層框架磚房”的抗震設(shè)計計算、構(gòu)造措施均有一定的規(guī)定，但通過這幾年的工程設(shè)計實踐認(rèn)為，這些規(guī)定還不能滿足設(shè)計工作的要求。特別是近年來建筑設(shè)計呈現(xiàn)平面布置多樣化，給結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)處理帶來一定困難，若勉強(qiáng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，就會造成這類房屋抗震性能的先天不足。本文就“底層框架磚房”在結(jié)構(gòu)方案和布置，減少底層與第二層抗側(cè)剛度差，建筑尺度的控制，加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施等諸方面，提出一些看法和建議，以期提高這類房屋的抗震設(shè)計水平，消除抗震設(shè)計隱患。 快把結(jié)構(gòu)工程師站點加入收藏夾吧！
結(jié)構(gòu)方案和布置
“底層框架磚房”上層建筑的平面布置直接影響底層框架梁、柱和剪力墻的布置方案，影響豎向荷載和水平地震力的傳遞途徑，可能改變原設(shè)計計算簡圖和計算軟件的基本假定，可能造成結(jié)構(gòu)抗震性能的不足。尤其對“商住樓”建筑，因為上層住宅套型的多樣化，樓梯間的設(shè)置必然使縱橫墻水平錯位，并使荷載傳遞和結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜化。還有的工程，為了提供底層大空間，底層框架采用每兩開間設(shè)置框架梁柱或剪力墻，造成上層有一半左右的抗震橫墻由次梁承托，形成了極不安全的抗震結(jié)構(gòu)體系。對“底層框架磚房”類型的房屋，上層建筑平面中縱橫墻水平錯位常有發(fā)生，為了排除因此給結(jié)構(gòu)師帶來的困擾，應(yīng)在設(shè)計實踐中，若在方案階段，建筑師與結(jié)構(gòu)師及時溝通，密切合作，有可能獲得既滿足建筑使用要求，又有合理結(jié)構(gòu)布置的建筑方案。
減少底層與第二層側(cè)移剛度差的措施
規(guī)范上采用在底層設(shè)置足夠數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻的方法來減少上下部剛度差。實驗及具體事例驗證，這種方法是行之有效且切實可行的。當(dāng)?shù)讓愉摻罨炷良袅?shù)量足夠時，既可提高底層水平側(cè)移剛度，又能減少底層與第二層側(cè)移剛度差，是增強(qiáng)這類房屋抗震性能的有利措施。
工程剪力墻僅布置在四角，雖然保證了底層大空間。但是，底層縱橫剪力墻較少，造成底層與第二層側(cè)移剛度較大，容易形成薄弱層，“上剛下柔”。在震害影響下，容易造成破壞。但如果將樓梯間也改為剪力墻，那么既改善了底層與第二層側(cè)移剛度，同時也改善了樓梯間空洞對底層樓蓋水平抗彎剛度的削弱，保證了在水平地震力作用下，框架與剪力墻水平力分配，能符合原設(shè)計計算時的設(shè)想。而且，底層平面利用也沒有犧牲，是很理想的處理方法。
按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，8度設(shè)防時，第二層與底層側(cè)移剛度比值不宜大于2.但均不宜小于1.筆者根據(jù)近幾年來設(shè)計經(jīng)驗建議，宜取保1.2-1.8之間，取值為1.5.這里，需要提醒的是，筆者常發(fā)現(xiàn)在有些設(shè)計中，設(shè)計人員電算中輸入底層層高時，常忽略了±0.000以下的墻柱高度。這樣一來，就會人為的降低底層剪力墻剛度。在電算中，特別是我們最常用的由中國建筑科學(xué)研究院研制開發(fā)的PKPM系列軟件，輸入底層層高應(yīng)算至基頂。
“底層框架磚房”上層墻體數(shù)量多，其縱橫交叉剛度集中。在設(shè)計時，如將不承擔(dān)抗震作用的隔墻采用輕質(zhì)材料，則可減輕結(jié)構(gòu)自重，降低地震效應(yīng)，改變墻體剛度集中現(xiàn)象，同時為建筑布局和房間分隔帶來較多的靈活性，更能縮小底層與第二層側(cè)移剛度差，是提高這類房屋抗震性能的有效手段。輕質(zhì)隔墻可直接支承在樓板上，也可用次梁承托，次梁需層層設(shè)置。
建筑尺度的控制
筆者常見到類似如下問題：①超高超層。②為滿足建筑要求，將剪力墻集中布置偏于一邊，甚至一角隅，剛度中心與質(zhì)量中心嚴(yán)重偏離，在地震作用下將出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。以上幾個方面，我們在設(shè)計時需特別注意。
“底層框架磚房”建筑平面形狀大都為矩形，但建筑在交叉路口時建筑平面有可能為L形或Π形。此時，必須用抗震縫將其分成獨立的矩形平面單元，以避免地震時拐角處應(yīng)力集中或者房屋因扭轉(zhuǎn)而發(fā)生嚴(yán)重破壞。矩形單元的建筑長度應(yīng)該小于現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的伸縮縫間距。目前，我國現(xiàn)有混合結(jié)構(gòu)房屋頂層墻體開裂很普遍，對“底層框架磚房”房屋，因為底層鋼筋混凝土與上層磚砌體材料線膨脹系數(shù)的差異，如果房屋較長，溫度效應(yīng)的影響，不但會加劇頂層墻體的開裂，甚至?xí)＜暗街虚g層墻體和門窗、洞口，在未地震前就降低了抗震磚墻的強(qiáng)度、剛度。所以對這類房屋的建筑總長度更應(yīng)有嚴(yán)格的控制。此外，房屋的長寬比也是影響房屋整體抗震性能的重要因素，過大的長寬比容易使房屋縱向和橫向自振周期差別較大，影響樓蓋水平剛度，地震時容易造成房屋扭轉(zhuǎn)。這里建議，建筑物總長應(yīng)≤50m，長寬比宜≤4，對“商住樓”建筑，不要超過4個單元組合，比較理想的建筑尺度是組合3個住宅單元。
圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置
目前，在我國多層混合結(jié)構(gòu)中，設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱已作為重要的抗震措施，并被廣泛地應(yīng)用。國內(nèi)外多次地震已證實，凡設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱的磚砌體房屋，震害普遍較輕。圈梁能增強(qiáng)房屋的整體性，提高房屋的抗震性能，并能約束墻面裂縫的開展及抵抗由于地震作用或其他原因引起的地基不均勻沉降對房屋的破壞作用。設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱能對砌體起約束作用，提高其延性和抗剪能力。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，“底層框架磚房”上層混合結(jié)構(gòu)部分圈梁、構(gòu)造柱設(shè)置按《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。筆者認(rèn)為，僅滿足這些規(guī)定還不夠，這里建議，第二層以上承擔(dān)抗震作用的所有縱橫墻頂部均應(yīng)設(shè)置圈梁，抗震墻端部均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱，構(gòu)造柱底部縱筋錨入框架柱或剪力墻中，構(gòu)造柱頂部至屋頂。這種設(shè)置方法使抗震磚墻墻體四周處于圈梁、構(gòu)造柱約束狀態(tài)，從而提高了墻體的強(qiáng)度、剛度和延性。圈梁和構(gòu)造柱還形成了封閉的“弱框架”，在房屋結(jié)構(gòu)遭受罕遇地震時，構(gòu)件進(jìn)入非彈性變形階段，能發(fā)生較大的水平位移，但整幢建筑可達(dá)到“裂而不倒”。當(dāng)房屋結(jié)構(gòu)遭受設(shè)計烈度的地震作用時，部分構(gòu)件發(fā)生非彈性變形，地震后房屋局部部位略加修復(fù)即可使用。圈梁與構(gòu)造柱形成的“弱框架”作用可以看作是“底層框架磚房”結(jié)構(gòu)抗震體系的二道防線。
結(jié)論與建議
“底層框架磚房”由于底層與第二層剛度的不連續(xù)，地震時使底層形成抗震薄弱層，從而使這類房屋遭受嚴(yán)重破壞。為了提高這類房屋的整體抗震性能，建議在結(jié)構(gòu)方案選擇和結(jié)構(gòu)布置時，要求上層縱橫向抗震磚墻必須砌筑在底層縱橫框架主梁上或剪力墻上。結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置應(yīng)合理，傳遞豎向和水平力路線應(yīng)簡捷，力求符合原設(shè)計計算簡圖。為縮小底層與第二層抗側(cè)剛度差，建議底層必須設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻，上層非抗震墻體采用輕質(zhì)材料，盡量改善墻體的密集和剛度集中。建議選擇有利抗震的建筑尺度并控制長寬比，合理增設(shè)構(gòu)造柱和圈梁，并加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。
結(jié)構(gòu)方案和布置
“底層框架磚房”上層建筑的平面布置直接影響底層框架梁、柱和剪力墻的布置方案，影響豎向荷載和水平地震力的傳遞途徑，可能改變原設(shè)計計算簡圖和計算軟件的基本假定，可能造成結(jié)構(gòu)抗震性能的不足。尤其對“商住樓”建筑，因為上層住宅套型的多樣化，樓梯間的設(shè)置必然使縱橫墻水平錯位，并使荷載傳遞和結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力復(fù)雜化。還有的工程，為了提供底層大空間，底層框架采用每兩開間設(shè)置框架梁柱或剪力墻，造成上層有一半左右的抗震橫墻由次梁承托，形成了極不安全的抗震結(jié)構(gòu)體系。對“底層框架磚房”類型的房屋，上層建筑平面中縱橫墻水平錯位常有發(fā)生，為了排除因此給結(jié)構(gòu)師帶來的困擾，應(yīng)在設(shè)計實踐中，若在方案階段，建筑師與結(jié)構(gòu)師及時溝通，密切合作，有可能獲得既滿足建筑使用要求，又有合理結(jié)構(gòu)布置的建筑方案。
減少底層與第二層側(cè)移剛度差的措施
規(guī)范上采用在底層設(shè)置足夠數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻的方法來減少上下部剛度差。實驗及具體事例驗證，這種方法是行之有效且切實可行的。當(dāng)?shù)讓愉摻罨炷良袅?shù)量足夠時，既可提高底層水平側(cè)移剛度，又能減少底層與第二層側(cè)移剛度差，是增強(qiáng)這類房屋抗震性能的有利措施。
工程剪力墻僅布置在四角，雖然保證了底層大空間。但是，底層縱橫剪力墻較少，造成底層與第二層側(cè)移剛度較大，容易形成薄弱層，“上剛下柔”。在震害影響下，容易造成破壞。但如果將樓梯間也改為剪力墻，那么既改善了底層與第二層側(cè)移剛度，同時也改善了樓梯間空洞對底層樓蓋水平抗彎剛度的削弱，保證了在水平地震力作用下，框架與剪力墻水平力分配，能符合原設(shè)計計算時的設(shè)想。而且，底層平面利用也沒有犧牲，是很理想的處理方法。
按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，8度設(shè)防時，第二層與底層側(cè)移剛度比值不宜大于2.但均不宜小于1.筆者根據(jù)近幾年來設(shè)計經(jīng)驗建議，宜取保1.2-1.8之間，取值為1.5.這里，需要提醒的是，筆者常發(fā)現(xiàn)在有些設(shè)計中，設(shè)計人員電算中輸入底層層高時，常忽略了±0.000以下的墻柱高度。這樣一來，就會人為的降低底層剪力墻剛度。在電算中，特別是我們最常用的由中國建筑科學(xué)研究院研制開發(fā)的PKPM系列軟件，輸入底層層高應(yīng)算至基頂。
“底層框架磚房”上層墻體數(shù)量多，其縱橫交叉剛度集中。在設(shè)計時，如將不承擔(dān)抗震作用的隔墻采用輕質(zhì)材料，則可減輕結(jié)構(gòu)自重，降低地震效應(yīng)，改變墻體剛度集中現(xiàn)象，同時為建筑布局和房間分隔帶來較多的靈活性，更能縮小底層與第二層側(cè)移剛度差，是提高這類房屋抗震性能的有效手段。輕質(zhì)隔墻可直接支承在樓板上，也可用次梁承托，次梁需層層設(shè)置。
建筑尺度的控制
筆者常見到類似如下問題：①超高超層。②為滿足建筑要求，將剪力墻集中布置偏于一邊，甚至一角隅，剛度中心與質(zhì)量中心嚴(yán)重偏離，在地震作用下將出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。以上幾個方面，我們在設(shè)計時需特別注意。
“底層框架磚房”建筑平面形狀大都為矩形，但建筑在交叉路口時建筑平面有可能為L形或Π形。此時，必須用抗震縫將其分成獨立的矩形平面單元，以避免地震時拐角處應(yīng)力集中或者房屋因扭轉(zhuǎn)而發(fā)生嚴(yán)重破壞。矩形單元的建筑長度應(yīng)該小于現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的伸縮縫間距。目前，我國現(xiàn)有混合結(jié)構(gòu)房屋頂層墻體開裂很普遍，對“底層框架磚房”房屋，因為底層鋼筋混凝土與上層磚砌體材料線膨脹系數(shù)的差異，如果房屋較長，溫度效應(yīng)的影響，不但會加劇頂層墻體的開裂，甚至?xí)＜暗街虚g層墻體和門窗、洞口，在未地震前就降低了抗震磚墻的強(qiáng)度、剛度。所以對這類房屋的建筑總長度更應(yīng)有嚴(yán)格的控制。此外，房屋的長寬比也是影響房屋整體抗震性能的重要因素，過大的長寬比容易使房屋縱向和橫向自振周期差別較大，影響樓蓋水平剛度，地震時容易造成房屋扭轉(zhuǎn)。這里建議，建筑物總長應(yīng)≤50m，長寬比宜≤4，對“商住樓”建筑，不要超過4個單元組合，比較理想的建筑尺度是組合3個住宅單元。
圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置
目前，在我國多層混合結(jié)構(gòu)中，設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱已作為重要的抗震措施，并被廣泛地應(yīng)用。國內(nèi)外多次地震已證實，凡設(shè)置了圈梁和構(gòu)造柱的磚砌體房屋，震害普遍較輕。圈梁能增強(qiáng)房屋的整體性，提高房屋的抗震性能，并能約束墻面裂縫的開展及抵抗由于地震作用或其他原因引起的地基不均勻沉降對房屋的破壞作用。設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱能對砌體起約束作用，提高其延性和抗剪能力。我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，“底層框架磚房”上層混合結(jié)構(gòu)部分圈梁、構(gòu)造柱設(shè)置按《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。筆者認(rèn)為，僅滿足這些規(guī)定還不夠，這里建議，第二層以上承擔(dān)抗震作用的所有縱橫墻頂部均應(yīng)設(shè)置圈梁，抗震墻端部均應(yīng)設(shè)置構(gòu)造柱，構(gòu)造柱底部縱筋錨入框架柱或剪力墻中，構(gòu)造柱頂部至屋頂。這種設(shè)置方法使抗震磚墻墻體四周處于圈梁、構(gòu)造柱約束狀態(tài)，從而提高了墻體的強(qiáng)度、剛度和延性。圈梁和構(gòu)造柱還形成了封閉的“弱框架”，在房屋結(jié)構(gòu)遭受罕遇地震時，構(gòu)件進(jìn)入非彈性變形階段，能發(fā)生較大的水平位移，但整幢建筑可達(dá)到“裂而不倒”。當(dāng)房屋結(jié)構(gòu)遭受設(shè)計烈度的地震作用時，部分構(gòu)件發(fā)生非彈性變形，地震后房屋局部部位略加修復(fù)即可使用。圈梁與構(gòu)造柱形成的“弱框架”作用可以看作是“底層框架磚房”結(jié)構(gòu)抗震體系的二道防線。
結(jié)論與建議
“底層框架磚房”由于底層與第二層剛度的不連續(xù)，地震時使底層形成抗震薄弱層，從而使這類房屋遭受嚴(yán)重破壞。為了提高這類房屋的整體抗震性能，建議在結(jié)構(gòu)方案選擇和結(jié)構(gòu)布置時，要求上層縱橫向抗震磚墻必須砌筑在底層縱橫框架主梁上或剪力墻上。結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置應(yīng)合理，傳遞豎向和水平力路線應(yīng)簡捷，力求符合原設(shè)計計算簡圖。為縮小底層與第二層抗側(cè)剛度差，建議底層必須設(shè)置一定數(shù)量的鋼筋混凝土剪力墻，上層非抗震墻體采用輕質(zhì)材料，盡量改善墻體的密集和剛度集中。建議選擇有利抗震的建筑尺度并控制長寬比，合理增設(shè)構(gòu)造柱和圈梁，并加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。