張衛(wèi)東

GB 50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范條文說明中指出底部框架—抗震墻房屋是我國現(xiàn)階段經(jīng)濟條件下特有的一種結(jié)構(gòu),是一種上剛下柔,抗震不利的結(jié)構(gòu)形式。底部框架—抗震墻房屋的設(shè)計難點實際上關(guān)鍵是剪力墻的合理布置,好多初次設(shè)計這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員都會發(fā)現(xiàn),在布置了剪力墻用PMCAD主菜單8抗震驗算后,即便混凝土剪力墻布置的數(shù)量不多,第二層與底層的側(cè)移剛度比卻小于1.0,為了降低底層的側(cè)移剛度,需要在剪力墻上開洞口,但無論洞口開多大,第二層與底層的側(cè)移剛度比的提高卻非常有限。下面在深刻理解《抗震規(guī)范》有關(guān)條文的基礎(chǔ)上重點討論一下底部框架—抗震墻房屋中剪力墻的布置。

1 底層剪力墻數(shù)量要求

根據(jù)底部框架—抗震墻房屋的震害調(diào)查和試驗研究表明:底層鋼筋混凝土抗震墻的層間位移角在1/1 000左右時將產(chǎn)生開裂,當(dāng)層間位移角到1/500時,其剛度約降低到彈性剛度的30%;砌體抗震墻的層間位移角到1/500時,其剛度約降低到彈性剛度的20%;而鋼筋混凝土框架柱層間位移角到1/500時,仍處于彈性階段。當(dāng)房屋在低于基本設(shè)防烈度地震作用下,房屋完全處于彈性變形階段,底層鋼筋混凝土抗震墻和磚砌體抗震墻具有很大的側(cè)向剛度,框架柱部分的側(cè)向剛度在樓層側(cè)向剛度中所占比例很小,大約5%～10%,可以忽略不計。因此,《抗震規(guī)范》第 7.2.4條第3款規(guī)定“底層或底部兩層的縱向和橫向地震剪力設(shè)計值全部由該方向的抗震墻承擔(dān),并按各抗震墻側(cè)向剛度比例分配”?！犊拐鹨?guī)范》第7.1.8條第2款規(guī)定“房屋的底部,應(yīng)沿縱橫兩方向設(shè)置一定數(shù)量的抗震墻,并應(yīng)均勻?qū)ΨQ布置或基本均勻?qū)ΨQ布置”。此條文中的“一定數(shù)量”四個字對底部框架—抗震墻房屋的剪力墻數(shù)量提出了要求,《抗震規(guī)范》中計算公式(6.2.9-2)V≤和《混凝土規(guī)范》中計算公式(0.15βcfcbh0)同時給出了答案。PMCAD主菜單 8對底部框架—抗震墻房屋計算地震作用時,采用底部剪力法計算水平地震作用,給出了每層抗震驗算結(jié)果,很容易可以查到底部轉(zhuǎn)換層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值,然后根據(jù)《抗震規(guī)范》第7.2.4條第1款、第2款規(guī)定乘以 1.2～1.5的增大系數(shù),根據(jù)《抗震規(guī)范》第5.4.1條乘以1.3的水平地震作用分項系數(shù),再根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.2.8條規(guī)定:一、二、三級的抗震墻底部加強部位,其截面組合的剪力設(shè)計值應(yīng)分別乘以1.6,1.4,1.2的剪力增大系數(shù),就得出上面公式左邊的剪力設(shè)計值Vw。下面結(jié)合一工程實例說明上面的剪力墻布置方法。

例如某7度區(qū)底部二層框架—抗震墻商住樓工程,地下1層地下室,層高3.6 m;地上1層商業(yè),層高3.9 m;上托5層磚混住宅,層高2.8 m。第一次PMCAD主菜單8試算可以不布置剪力墻,查看圖形文件ZH2可知本層地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值 V2=3 423.7 kN(見圖1),根據(jù)《抗震規(guī)范》第7.2.4條第 2款規(guī)定取增大系數(shù)為1.4,根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.2.8條規(guī)定 7度區(qū)二級抗震墻乘以 1.4的增大系數(shù),地震剪力設(shè)計值 Vw=1.3×1.4×1.4×3 423.7 kN=8 723.6 kN,《混凝土規(guī)范》計算公式(11.7.4-2)中 rRE=0.85,βc=1.0,C35混凝土 fc=16.7 N/mm2,可得出剪力墻橫斷面面積bh0=2.90 m2,假定橫墻墻厚 b=0.25 m,計算得出橫向剪力墻總長度為11.6 m,注意這是橫向剪力墻所需最短的總長度。把橫向剪力墻分成 4段,每段3.1 m,按照“均勻、對稱、周邊、分散”的原則布置在橫向框架內(nèi),一般底層框架—抗震墻房屋時,剪力墻的高寬比控制在1.5～3之間比較合理;底部兩層框架—抗震墻房屋時,剪力墻的高寬比宜控制在2～4之間比較合理;同時還要滿足《抗震規(guī)范》第7.1.5條對剪力墻橫墻最大間距要求。假定縱向墻厚 b=0.2 m,計算得出橫向剪力墻總長度為14.5 m,注意這是縱向剪力墻所需最短的總長度。前后外縱墻一般為商業(yè)門臉,混凝土墻垛越短越好,因此前后外縱墻各布置2段2.1 m長剪力墻,中軸利用樓梯間布置3段2.4 m長剪力墻,再次進(jìn)入PMCAD主菜單8試算。

2 上下層剛度比的控制

底部框架—抗震墻房屋上部和下部是由兩種性質(zhì)不同材料組成,上部各層磚房縱橫墻體較多,而下部為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),這就形成了整個結(jié)構(gòu)上剛下柔,剛度沿豎向發(fā)生變化。《抗震規(guī)范》第7.1.8條第3,4款對上下層剛度比的上限和下限都給出了強制性規(guī)定:“底部框架—抗震墻房屋的縱橫兩個方向,第二層與底層側(cè)向剛度的比值,6度,7度時不應(yīng)大于2.5,8度時不應(yīng)大于2.0,且均不應(yīng)小于1.0”“底部兩層框架—抗震墻房屋的縱橫兩個方向,底層與底部第二層側(cè)向剛度應(yīng)接近,第三層與底部第二層側(cè)向剛度的比值,6度,7度時不應(yīng)大于2.0,8度時不應(yīng)大于1.5,且均不應(yīng)小于1.0”。這就保證了底部框架—抗震墻房屋剛度沿高度分布比較均勻,既不使底部框架側(cè)向剛度過小,在強烈地震作用下形成底部彈塑性變形集中而出現(xiàn)嚴(yán)重的倒塌破壞,又不至底部框架側(cè)向剛度過大,使薄弱層轉(zhuǎn)移到上部磚房的過渡層,底框部分的良好延性性能得不到發(fā)揮,過渡層卻發(fā)生應(yīng)力集中破壞。下面仍然以上述工程實例說明如何調(diào)整上下層剛度比滿足規(guī)范要求。

縱向剛度比K0=2.34不滿足規(guī)范要求,橫向剛度比K90=1.48滿足規(guī)范要求。橫向和縱向剪力墻橫斷面面積基本相等,而剛度比卻差很多,這主要是橫向和縱向剪力墻單片剪力墻的高寬比不同決定的,底框—抗震墻房屋中的鋼筋混凝土剪力墻的側(cè)移剛度由剪切剛度和彎曲剛度組成。高寬比小于1時,可只計算剪切變形;高寬比不大于4且不小于1時,應(yīng)同時計算彎曲和剪切變形;高寬比大于4時,只計算彎曲變形。橫向剪力墻高寬比為7.5/3.1=2.4;前后外縱墻剪力墻高寬比7.5/2.1=3.6,縱向樓梯間中軸剪力墻高寬比7.5/2.4=3.1。而彎曲剛度與墻肢長度的立方成正比,墻肢越長,底框部分的側(cè)移剛度就越大,這就總結(jié)出一個很重要的結(jié)論:在保證沿縱橫兩方向設(shè)置“一定數(shù)量”的抗震墻的情況下,調(diào)整單片剪力墻的高寬比來提高或者降低上下層剛度比比值。另外,根據(jù)剪力墻的側(cè)移剛度計算公式,側(cè)移剛度還與墻厚和墻體混凝土強度等級有關(guān),一般混凝土強度等級不便隨意調(diào)整影響也很小。本工程后外縱墻為商業(yè)門臉,混凝土墻垛不便加長,因此,前后外縱墻剪力墻墻厚變?yōu)?.25 m,縱向樓梯間中軸剪力墻墻厚變?yōu)?.3 m,通過修改再次進(jìn)入PMCAD主菜單8試算?？v向剛度比K0=2.00滿足規(guī)范要求,橫向剛度比K90=1.48滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

現(xiàn)在各個設(shè)計單位為適應(yīng)市場經(jīng)濟的需要,一般承接的工程要求工期比較緊,設(shè)計人員借助設(shè)計軟件,進(jìn)行計算機輔助設(shè)計就成必然。但設(shè)計人員不能只會按照軟件要求一步步操作,必須深入學(xué)習(xí)熟悉規(guī)范,加強“概念設(shè)計”的抗震理念,一定能夠設(shè)計出抗震性能良好的底部框架—抗震墻房屋。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2008版)[S].

[2]PMCAD用戶手冊及技術(shù)條件[M].北京:中國建筑科學(xué)研究院,2005.

[3]SATWE用戶手冊及技術(shù)條件[M].北京:中國建筑科學(xué)研究院,2005.

[4]侯麗紅.框架—剪力墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計[J].山西建筑,2009,35(17):43-44.