随着市场经济的发展, 底层为商店, 上部为住宅的商住楼越来越多。而且城市规划也往往要求建筑临街的住宅、办公楼等在底层设置商店、餐厅或邮局。因此, 要充分重视这类房屋的抗震设防。
历次破坏性地震的震害调查数据及有关经验都表明, 形状比较简单的建筑在遭遇地震时破坏较轻。这是因为, 比较简单的建筑物, 受力性能比较明确, 设计时容易分析结构在地震时的实际反应和结构的内力分布, 结构的细部设计也好处理, 其各向传力也很明确。
如何区别形状的简单和复杂?简单的平、立面图形是凸形的, 即在图形内任意两点的联线不与图形的任意边界相交;而复杂的图形是有凹角的, 即在图形内任意两点的联线同图形的边界相交。其基本思想是凸形的结构不易造成建筑在刚度和强度上的突变而地震时引起应力集中或变形集中, 有凹角的结构则容易形成抗震薄弱环节。但实际设计中, 由于采光造型等的需要, 建筑平、立面出现凹角是经常的, 因此比较现实的是要求建筑规则一些。
《抗震设计规范》对较复杂的结构平、立面布置和刚度变化作了一些限制, 如:房屋的平面突出部分的长度不大于其宽度, 且不大于该方向总长度的30%;房屋立面局部收进的尺寸不大于该方向总长度的25%;由于立面上的形状突变或抗侧力构件的变化, 导致建筑竖向刚度的变化, 这个变化规定楼层刚度不小于其相邻上层刚度的70%, 且连续三层总的刚度降低, 不超过50%。如果满足这个要求, 则可认为是比较规则的结构。
底层框架多层砖房, 常一面临街底层设置为商店。这就需要临街一侧为敞口, 而底层的3个边布置为抗侧力较强的钢混凝土框架填充墙。这样造成建筑刚度中心和质量中心明显不重合, 地震时产生扭矩。遇到这种情况, 处理方法是:
(1) 力求在总体布置上减小刚度偏心。
(2) 在计算上估计敞口一侧的较大位移, 并估计由于较大位移引起敞口边和垂直于敞口边的构件 (如柱、框架或墙段) 的内力和变形。一般情况下敞口边长同另一方向的边长之比愈大, 刚度偏心相对愈小, 地震扭矩的影响也较小;反之则较大, 并对敞口附近的构件造成破坏。
(3) 加强敞口处与敞口邻接的横向抗侧力构件的强度和变形能力。
在房屋建筑的设计中, 为满足采光、日照、通风等使用要求和建筑立面的美观, 常使建筑平、立面布置变化较大, 如平面有较深的凹凸, 立面有较长的悬挑, 造成局部地震作用效应过大;结构布置的不对称产生较大的偏心, 使房屋在地震时产生扭转效应, 两端构件所受地震力增大。
唐山地震中, 某幢楼房就由于底层框架的破坏, 使上面几层原地坐落, 这是因为框架柱丧失稳定被压屈而破坏, 或因沿斜截面产生裂缝后受压破坏;各框架柱箍筋间距太大, 特别是在柱上下二端箍筋没有加密时, 其破坏就更加严重。
(1) 在构造上, 有些设计对底层抗震墙布置重视不够。有些设计忽视在底层纵横方向设置一定数量的抗震墙, 或只有横向抗震墙, 使整幢建筑上刚下柔, 或横刚纵柔。地震作用下即容易产生较大的弹塑性变形。
(2) 上面几层砌体, 开间小, 横墙多, 不仅重量大, 侧移刚度也大, 而底层框架侧移刚度比上层小得多。刚度的突变使结构的刚柔交接处, 应力高度集中, 在柱端产生塑性铰, 并使房屋的变形集中发生在相对薄弱的底层。
(3) 凭习惯上的概念, 错误地认为:底层框架的侧向刚度一定比砖房好, 纵向框架侧向刚度一定比横向好, 而实际上并非如此。
(1) 底层框架砖房的底层, 不应采用纯框架结构。结构工程师应及早介入建筑方案与初步设计, 在不影响或少影响功能的前提下, 使纵横外墙、室内分隔墙等尽量均衡, 并在纵横两个方向均匀设置一定数量的抗震墙, 且使第二层与底层的纵横向侧移刚度比满足规范要求。即:
式中:r为二层与底层侧移刚度比值;kw2为二层砖墙的侧移刚度;kf, kcw, kbw分别为底层的框架、混凝土抗震和砖抗震墙的侧移刚度。
(2) 底部剪力法仅适用于刚度比较均匀的多层结构。对于具有薄弱底层的底层框架砖房, 应考虑塑性变形集中的影响。另外, 经分析知道, 提高较软层的屈服强度可以减少其塑性变形的集中。因此, 底部剪力法对底层地震剪力要乘以一个1.2~1.5的增大系数。
(3) 在底层框架砖房的上层, 构造上仍应设置构造柱或芯柱, 并应层层设置圈梁, 底层的顶板应为现浇或装配整体式楼盖。当采用装配式楼盖时, 宜设置圈梁, 并按《抗震规范》规定设置必要的钢筋混凝土构造柱。较软层中的柱, 特别是结构刚柔相接的地方, 要避免出现塑性铰。
(4) 强柱弱梁是结构布置中必须加以重视的原则。
每一个结构都存在一个基本自振周期, 当这个自振周期与建筑场地的卓越周期接近时, 在地震作用下, 结构将发生类共振现象而加重震害。共振就其本质而言, 可谓是能量最显著的作用方式。
在唐山地震时, 塘沽地区的7~10层框架结构房屋破坏非常严重, 有的甚至一塌到底。
与此相反, 3~5层的砖混结构住宅却只有轻微的损坏。经调查后发现, 由于塘沽是海滨, 场地土的卓越周期为0.8~1.05, 7~10层框架房屋的自振周期为0.6~1.05, 两者周期一致导致共振。而3~5层砖混住宅的自振周期在0.3s以下, 远离了场地的卓越周期, 因此破坏较轻。
迄今为止, 地震还是一个难以预测的自然灾害, 地震对建筑物的破坏作用也还没有最终被人们彻底认识。现阶段抗震设计还不完全是进入自由王国的领域。要依靠设计者的知识和经验, 运用思维和判断, 正确地决定建筑的总体方案和细部构造, 在此基础上进行计算。使计算分析的结果尽可能反映地震时结构地震反应的实际情况, 建筑物才能抵御震害的发生。
摘要：本文针对底层框架砖房的结构特点, 论述该结构在建筑上的布局和在结构上应注意的问题。
关键词：刚度突变,抗震墙,共振
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