建筑设计师要学什么【关于框剪建筑设计的思考】

来源:摄影 发布时间:2019-05-15 03:57:58 点击:

  摘要:本文作者根据底部框剪砌体房屋抗震特点,对底部框剪砌体房屋抗震墙的合理数量与布置、抗震墙的设计、框支连续墙梁的设计提出一些建议,以供设计时参考。   关键词:底部框剪;砌体结构;抗震墙;框支连续墙梁
  中图分类号:TU318文献标识码:A文章编号:
  
  底部框剪砌体房屋是指底部一层或两层为空间较大的框架—抗震墙、上部为多层砌体房屋,根据设防烈度和层数的不同,底部抗震墙可选用砌体墙、钢筋混凝土墙或两者兼用。这些建筑多用于城市临街多层砖混住宅、办公楼的底层常设置需要大空间的商店、餐厅等公共部分。由于底层的墙体数量比上层少,侧移刚度、抗侧力能力都比上部小得多,刚度的突变导致地震作用下底层侧移量相对于上部各层较大,形成明显的抗震薄弱层。底部框剪砌体房屋结构设计重点首先是控制房屋的总高度和层数不超限;减少底部框剪层与上层砌体刚度的差异,严格控制二者在纵横两个方向的侧向刚度比,合理设计底部框剪层墙、柱以及托梁;加强相邻砌体层的构造柱和圈梁的约束作用;必要时进行罕遇地震下底层的弹塑性变形验算。
  1 底部框剪砌体房屋典型破坏现象
  震害调查和试验研究表明,底层抗震墙数量很少时,震害集中在底层框架—抗震墙部分,且墙比柱重,柱比梁重,混凝土抗震墙墙脚、砌体抗震墙墙体、框架柱端,尤其柱脚为薄弱部分。砌体抗震墙沿楼层对角线方向发生剪切破坏(出现贯通的交叉斜裂缝),框架柱上下端产生水平裂缝继而压弯破坏并局部压溃,形成柱铰机构。框架梁基本完好或轻微破坏,一般仅个别框架梁两端出现竖向裂缝。这主要是由于结构(刚度)上刚下柔或(抗侧力强度)上强下弱,且底层所受地震作用相对较大,造成底层变形过分集中、位移太大或丧失承载力而破坏。当底层设置的抗震墙太多时,砌体过渡层及上部薄弱的砌体层将变成这种结构的薄弱层,其震害现象与多层砌体房屋的震害相似。
  2 底部框剪砌体房屋抗震墙的合理数量
  底部框剪砌体房屋是由底部框剪层和上部砌体层两种承重和抗侧力体系组成,框剪层和砌体层在受力、变形及抗震性能方面的差异使其抗震设计较为复杂。
  在地震作用下,底层的钢筋混凝土抗震墙当层间位移角为1/1 000左右时,混凝土墙开裂,当层间位移角为1/500左右时,其刚度已降低到弹性刚度的30%,此时框架部分尚未开裂,砌体墙在层间位移角为1/500左右时已出现对角裂缝,其刚度已降低到弹性刚度的20%,这说明在底层抗震墙开裂后结构将出现刚度退化现象。由于砌体墙的刚度退化比钢筋混凝土墙更为明显,当砌体过渡层与相邻框剪层侧移刚度比过小时,在地震作用下,可能会出现砌体过渡层刚度小于相邻框剪层的现象。因此框剪层抗震墙数量太多,薄弱层将转移到上部的砌体层。由于砌体层的变形、耗能能力和延性性能远比框剪层差,这不仅使抗震设计不经济,而且在罕遇地震作用下砌体层将会产生严重的破坏集中现象。基于底部框剪砌体房屋的上述特点,在进行底部框剪层的设计时,应满足两个要求:1)不致使底部框剪层产生严重的变形集中;2)避免薄弱层将转移到上部的砌体层。基于对结构的性能优化,有如下建议:
  2.1 对于采用钢筋混凝土抗震墙,上下层刚度比建议控制在1.4~2.0范围内,同时考虑到钢筋混凝土墙、柱的极限承载能力较高,从上下层承载力相匹配的原则出发,底部剪力放大系数建议按式(1)取:ηv=0.9+0.1K2/K1(1)
  2.2 抗震规范规定的统一取1.2~1.5的剪力放大系数会过分加强底部框剪层的承载力,虽然底部抗震墙首先开裂,但破坏仍然集中在上部砌体薄弱层,不利于发挥钢筋混凝土墙的变形和耗能能力。
  2.3 对于砌体抗震墙,由于砌体抗震墙变形与耗能能力以及极限承载能力并无明显优势,上下层刚度比最好控制在1.2~1.6范围内,底部剪力放大系数建议按式(2)计算:
  ηv=1.1+0.1K2/K1(2)
  其中,K1,K2分别为第一、二层的侧向刚度。
  3 底部框剪砌体房屋的抗震墙设计
  抗震墙作为主要的抗侧力构件,承担了大部分的水平剪力,对于抗震墙,既要保证其承载能力,又要保证其变形及耗能能力。
  3.1 砌体抗震墙设计建议
  3.1.1 砌体抗震墙应设计成剪切型构件,注意控制墙体的高宽比小于1.5。
  3.1.2 底层框架柱既起到约束墙体的作用,又承受倾覆力矩,因此受力较大,所以应加强框架柱配筋,特别是梁柱端部配箍,并在柱根设置短型钢,以加强与基础的连接锚固。
  3.1.3 为了提高砌体抗震墙的承载能力和变形能力,可在墙中设置构造柱,并在半层高处增设混凝土配筋梁带。
  3.1.4 应采取相应的抗震构造措施增强第二层墙体的抗震承载能力;加强第二层构造柱设置和连接构造,且在半层高处增设混凝土配筋梁带等。
  3.2 钢筋混凝土抗震墙设计建议
  3.2.1 为避免出现低矮墙,应注意控制墙体的高宽比大于1.5;低矮抗震墙是以受剪为主,其破坏形式为剪切破坏,变形能力与延性较差,对结构抗震不利。
  3.2.2 出现低矮墙时可采用开竖缝方式改善其抗震性能;所有开竖缝处的水平钢筋均在竖缝处断开,并在竖缝的两侧各设置暗柱,混凝土整浇。在弹性阶段,带缝墙的两墙肢基本处于整体工作,其弹性刚度、强度与整体墙相差不多;在大震作用下墙体开裂;开裂后,高宽比的改变使剪力墙从实体墙的脆性剪切破坏转变为带缝时的延性弯剪破坏,使剪力墙的变形能力增加,延件系数平均提高一倍多;虽然带缝墙的极限承载能力平均比整体墙稍有降低,但在大震时,刚度减小,自振周期加大,会避开地面运动的卓越周期,从而减小地震作用。
  3.2.3 带边框开竖缝低矮墙的边框柱的纵筋和箍筋对墙体的极限承载能力和变形能力有很大影响,其边框柱的配筋不应小于无钢筋混凝土抗震墙的框架柱的配筋和箍筋要求。
  3.2.4 带边框开竖缝低矮墙的边框梁,在竖缝对应部位将受到因竖缝作用引起的附加剪力,应在开竖缝两侧1.5倍梁高范围内箍筋加密,且箍筋间距不应大于100 mm。
  3.2.5 从改善带边框低矮墙的抗震性能、提高变形能力和耗能能力的效果出发,建议开竖缝墙的墙板单元的高宽比不应小于1.5,但也不宜大于2.5。
  4 框支连续墙梁设计
  4.1 框支连续墙梁承载力与托梁、上部墙体以及上部构造柱及圈梁的设置有关。相关试验表明:在墙梁每跨跨中各增设一根构造柱,比托梁的截面高度增大20%,均可明显提高墙梁的承载力,梁端附近仅有少量裂缝且宽度不大,但梁柱结点破坏严重,形成交叉裂缝。
  4.2 部分文献资料建议在抗震设计中不考虑墙体的组合作用,但如按此建议设计将造成托梁截面过大,同时强柱弱梁无法保证,且从建筑功能和经济的角度来看,过大的托梁截面都是不可接受的。
  4.3 建议采用在墙梁跨中增设构造柱,加强二层顶圈梁的方法,提高墙梁的承载力。构造柱与墙顶圈梁和托梁连成整体,既可提高托梁刚度,又分割了墙体,参与墙体抗剪效果更为显著地提高了墙体整体性,保证了墙体的组合作用,试验与实践表明,采用此法处理的结构拥有更好的综合性能。
  5 结束语
  在底框结构设计过程中,不应盲目迷信结构软件的计算结果,应对结构的计算方法和基本理论有清楚的认识,并对结构进行准确分析,“扬长抑短”,严格遵守规范强制性条文,经过合理设计并加强抗震构造,底层框剪砌体房屋具有较好的抗震能力和良好的抗震性能,可以适用于6度~8度抗震设防区,并满足“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准设防要求。
  参考文献:
  [1] GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].
  [2] GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].
  [3] 龚思礼.建筑抗震设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.
  [4] 赵丽清.砌体结构房屋抗震设计[J].山西建筑,2011,33(5).
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