在我国, 特别是中小城市, 底层框架抗震墙砌体房屋应用广泛, 这种建筑施工方便, 工程造价低, 适应市场经济和中小城市建设发展需求。在今后几十年内, 这类房屋仍将大量建造。但该类建筑由于其结构的复杂性和特殊性, 使得对该类建筑的研究和实验一直未能跟上应用的要求, 以往规范与工程实际有很大程度的偏差。通过近几年的工程经验和实践, 结合GB 5001122001建筑抗震设计规范对其抗震设计进行分析探讨。
将新旧规范要求进行对比, 见表1。
从表1看出, 现行规范从不同方面加强了抗震概念设计。这是因为底框抗震墙结构上下采用两种不同结构, 其受力和破坏特性不同。
为了保证底层弹塑性变形集中现象好, 而且上部砌体房屋破坏不严重, 加强了第二层与底层侧移刚度的比值, 且为了确保其薄弱层不会转移到上部结构, 增加了下限的要求;底层横墙可作为纵强的侧向支撑, 进一步加强这一限制可以改善横墙整体抗震能力, 保证纵墙不易被破坏, 且楼盖在侧向力作用下支撑间距小, 楼盖的平面内变形小, 就可以有效地将地震力均匀传递至各侧构件。防止纵墙发生平面弯曲破坏;考虑到该类建筑的受力特性使得其在高烈度区震害较严重, 新规范建议在Ⅸ度区的建筑不采用这类建筑结构。
总之, 现行规范通过加强抗震概念设计增强结构抗震承载力, 扩大了这类房屋在地震区的应用, 在现行规范中就有具体体现, 如此类结构建筑层数有所增加, 有实用价值。
此类结构底层按框架进行分析计算, 而上部按多层砌体砖房进行计算, 且底层和上部有组合作用, 鉴于此类结构的特殊性, 重点强调以下两个问题。
在抗震计算中, 不论是旧规范还是新规范都对房屋底层纵横向的地震剪力设计值乘以1.2～1.5的放大系数, 其实质是为了提高底部的抗震承载力。但实际结构中, 底层为钢筋混凝土结构体系, 本身具有较好的承载能力和变形能力, 故在抗震设计中不宜对底层加强过多。国内对底框砖房的抗震试验中, 大部分只单独考虑两层侧移刚度比的变化对剪力的影响, 没有综合考虑其他因素的影响, 如不同的设防烈度、结构自震周期等, 并且这些因素之间还可能有很大的相互作用, 尤其是结合结构抗震模拟试验的结果分析, 底层框架抗震墙砖房的底层地震剪力设计值乘以扩大系数偏于保守。
由于托墙梁是该类结构中的重要承重构件, 并且它不同于其他形式梁, 对于框支托墙梁, 新旧规范提及的较简单, 但这种构件设计合理与否对结构很重要, 故在下面将重点分析。
托墙梁抗震计算时要计算竖向和水平荷载下的内力, 然后再进行内力组合。水平荷载作用下其内力按框架分析, 多采用底部剪力法计算。在竖向荷载作用下旧规范对其没有明确规定, 通常按简支托墙梁进行分析, 采用极限力臂法等, 而现行规范对其做了规定。现结合国内使用的计算方法和现行规范介绍的方法对具体实例进行计算分析, 为简单起见, 用单跨框支托墙梁进行计算比较。
算例:某商店住宅建筑, 单跨框架计算跨度lo=8m, 计算柱高ho=4.2m, 托梁截面0.3m×0.8m, 柱尺寸0.3m×0.45m, 托梁以上三层, 层高3m, 墙厚h=0.24m, 屋面活载qk=2.1kN/m, 恒载gk=16kN/m, 第二、三层楼面活载qk=7.5kN/m, 恒载gk=12kN/m, 一层楼面活载qk=7.5kN/m, 恒载gk=15kN/m, 作用于托梁顶面荷载设计值Q1=36.38kN/m, 作用墙梁顶面荷载设计值Q2=105.75kN/m。计算简图如图1所示 (算例中字母同规范) 。
等效荷载系数取0.6, 墙体自重gw=53.95kN/m, 二层以上楼盖荷载Qi=71.94kN/m
等效荷载q′=0.6× (71.94+53.95)
作用于托梁上的荷载q=36.38+q′=111.914kN/m
由单跨框架分析得Mb=Mc=-0.202×111.914×82/6=-241.1kNm
(1)在托梁顶面Q1作用下
跨中弯矩M1=Q1l02/8+Mb=212.6kNm
(2)在墙梁顶面Q2作用下Mb=Mc=-0.202×105.75×82/6=-227.9kNm
跨中弯矩M2=Q2l02/8+Mb=618.1kNm
对比结果表明:按60%的取荷法计算出的托梁跨中弯矩过大, 轴向拉力为0, 这不仅不经济而且与托梁为一偏心受拉构件相矛盾;旧规范对单跨框支托墙梁按简支梁进行计算, 与实际结构受力偏差较大;现行规范计算方法既保持考虑墙梁组合作用, 托梁为混凝土偏心受拉构件的合理受力模型, 又简化了计算。现行规范考虑水平地震作用使墙体裂缝对墙梁在竖向荷载作用下组合作用有影响, 对内力系数适当放大。但在工程实际设计中, 忽略了水平荷载作用下托墙梁与墙的组合作用, 并且通常建筑物中的构造柱、圈梁等能够有效约束裂缝的开展, 对墙体的抗震有利。故托墙梁的设计还有待改进, 通常可以通过加强墙梁的受力薄弱部位来提高它的安全性。
大量震害表明:圈梁、构造柱是抗震的重要因素, 若圈梁与构造柱相互连接, 组成钢筋混凝土格网可进一步加强结构的空间整体性, 大大提高结构的抗震性能;构造柱与砖墙结合共同作用增加了墙体的延性、抗压能力和平面外的抗弯能力;若楼板采用现浇板, 能与墙体共同工作发挥结构的空间作用, 亦有利于抗震。故抗震构造要求是必要的, 且各个构造措施必须合理设置, 特别对结构薄弱层。
新规范考虑到此类结构过渡层刚度变化和应力集中, 增加了过渡层构造柱设置的专门要求, 即要求过渡层尚应在底层框架柱对应位置设置构造柱。
现行规范通过加强抗震概念设计, 完善和改进了这类房屋的抗震设计理论, 提高了这类房屋抗震设计法的实用性, 更能符合该结构在实践应用中的特性。但在分析过程中发现, 由于该类结构相对于单纯的砌体结构或框架结构而言, 它的实践应用和实验分析起步比较晚, 理论不够成熟, 结构方面存在偏安全设计, 又未能充分考虑各种因素的协同工作的有利作用, 故底框砖房的设计尚有很大的完善空间。相信随着研究和应用的进一步深入, 此类结构的抗震设计更能体现实际结构的受力性能, 这类房屋的适用性会更广泛。
摘要：通过近几年的工程经验和实践, 结合GB 5001122001建筑抗震设计规范, 本文简述了抗震概念设计、抗震计算要点、抗震构造三方面。对框支墙梁的计算进行分析探讨。
关键词：抗震规范,概念设计,框支托墙梁计算,构造措施
