底框結(jié)構(gòu)是我國現(xiàn)階段經(jīng)濟條件下特有的一種結(jié)構(gòu),從抗震上講它是一種不合理的結(jié)構(gòu)形式,但限于我國當(dāng)今的經(jīng)濟發(fā)展水平,目前還無法取消,因此在我國內(nèi)地及廣大中西部地區(qū)臨街建筑中仍普遍采用。其具有“頭重腳輕”、上剛下柔、的特點,為保證實現(xiàn)“小震不壞,中震可修,大震用不倒”的抗震原則,《建筑設(shè)計抗震規(guī)范》(GB50011-2001)對底框結(jié)構(gòu)底部框架層與上層剛度比做出了明確規(guī)定,其中底層框架,第二層與底層側(cè)向剛度比,6、7度時不應(yīng)大于2.5,8度不應(yīng)大于1.5,且均不應(yīng)小于1.,要做到這一點,必須在底部框架中布置一定數(shù)量的的抗震墻。結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗震墻如何設(shè)置,有時需要反復(fù)計算,多次與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)。作者在總結(jié)多年底框架結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的基礎(chǔ)上,對剪力墻布置中的若干問題提出以下解決辦法。
1 剪力墻布置原則
底框架結(jié)構(gòu)中的剪力墻既是承擔(dān)豎向荷載的主要構(gòu)件,更是承擔(dān)水平力的主要構(gòu)件,在地震中起第一道 防線作用,因此在設(shè)計時要考慮底部剪力墻承擔(dān)100%的水平地震作用,而框架只承擔(dān)小部分的地震力作為安全儲備。震害觀測表明,底框磚房在地震時底層將發(fā)生變形集中,會出現(xiàn)過大的側(cè)移而嚴重破壞甚至倒塌。有鑒于此,新規(guī)范在近十幾年各地試驗研究的基礎(chǔ)上,對底框架結(jié)構(gòu)剪力墻的布置做出了更科學(xué)的調(diào)整。
首先抗震墻間距要滿足最大橫墻間距限制,6、7、8度設(shè)防區(qū)最大橫墻間距分別為21m、18m、和1 5m。
其次,剪力墻應(yīng)沿2個主軸方向都有布置,使之形成直角以更好地發(fā)揮抗震作用。
另外要克服矯枉過正的偏見,有些設(shè)計人員認為既然底框結(jié)構(gòu)底層薄弱就多布置一點剪力墻越強越好,實際上是走向另一個極端。剪力墻的設(shè)置應(yīng)與上部砌體結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào),抗震設(shè)計的原則是沿樓層間側(cè)移剛度應(yīng)均勻變化 ,而不允許各層間發(fā)生突變。
2 剪力墻使用材料
規(guī)范中規(guī)定6、7度且總層數(shù)不超過5層的底框房屋,應(yīng)允許采用嵌砌于框架之間的砌體抗震墻砌體抗震墻適用于總層數(shù)少、柱距較小、平面規(guī)整的建筑,它造價低,施工方便。但無率是在使用上或抗震上,還是采用混凝土墻好。計算其在相同高度和截面尺寸下的剛底之比,先假設(shè)它們同為整體墻(開小洞口),由整體墻截面的等效抗彎剛底公式:
EIeq=EIw/1+9ulw/Awh)
式中,E為剪力墻彈性模量;I為考慮洞口影響后的水平截面慣性矩;U為截面上剪 應(yīng)力不均勻系數(shù),矩形截面取1.2;Aw為考慮洞口影響后的水平截面折算面積;H為剪力墻計算。
因Iw\AwH僅與墻的幾何尺寸相關(guān),由假設(shè)可知混凝土剪力墻與磚剪力墻的上述參數(shù)相等過樣它們的剛度比就成為材料彈性模量之比。由《混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2002)表4.1.5可得,C30混凝土的彈性模量Ec=3×10Mpa.由《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003-2002)表3.2.1-1得Mu10磚、M10砂漿砌體的抗辰強度f=1.89Mpa。所以同一位置相同幾何條件的混凝土剪力墻與磚剪力墻的剛度之比i=EC/Em=3×10/3024=9.92。
經(jīng)驗算這一結(jié)果對于幾何條件相同的小開口墻和連肢墻同樣適用。因此相同條件下C30混凝土墻剛度相當(dāng)于Mu10磚、M10砂漿磚墻的9.92倍,由此可見采用混凝土墻可大減少底層剪力墻的數(shù)量,經(jīng)筆者總結(jié)多個底框工程實例經(jīng)驗,常規(guī)底框結(jié)構(gòu)設(shè)計時既符合抗震,又較經(jīng)濟合理的混凝土剪力墻截面積大約占上層磚混結(jié)構(gòu)同方向墻截面積的5%~10%,而要達到同樣要求所需的磚砌體剪力墻則遠遠大于這個比例,所以采用混凝土墻可使底層開間布置更加靈活,可利用空間更大。由于用量少,總造價也僅比磚砌體剪力體系,使結(jié)構(gòu)遇地震時延性增大,避免了出現(xiàn)脆性破壞的概率,F(xiàn)在新規(guī)范已經(jīng)縮小了6、7度時采用磚剪 力墻范圍,并對底層磚剪力墻的構(gòu)造做出了專門規(guī)定,因此應(yīng)盡量選用混凝土剪力墻。
3 剪力墻布置方式
框剪結(jié)構(gòu)剪力墻布置有8字方針,即“周邊,均勻,對稱,相交”。底框結(jié)構(gòu)中山墻一般要布置剪力墻,因為只在每個住宅單元樓梯間兩側(cè)布置混凝土毅力墻的底框結(jié)構(gòu)是不宜采用的。
相關(guān)試驗表明,加大底層空曠房屋兩端平面剛度,對底層框架端部豎向位移進行控制,可有效增加底層杠架的安全儲備,但盡管如此布置也并不全周邊,中間還需要很多剪力墻。因此底框結(jié)構(gòu)8字方針可概括為“豎直,均勻,對稱,相交”,所謂豎直就是在布置底層剪力墻時應(yīng)盡量對應(yīng)上部上下豎直、中間不間斷的墻體,否則即使底層布置的剪力墻剛度再大,若豎向無對應(yīng)的上部墻體,不僅傳力途徑不直接,且上下層剛心相距較遠,地震時上部墻體與底層剪力墻間會形成很大扭矩,極易破壞。
另外,布置底層剪力墻時要避開上部墻體洞口,若具體執(zhí)行時實在難以避開,(例如樓梯間入戶門等),那么應(yīng)采取在上部洞口兩側(cè)增加構(gòu)造柱等加強措施,以更好地傳遞地震力。對個別剪力墻未能與上層磚墻對應(yīng)者,應(yīng)設(shè)法加大底層與二層轉(zhuǎn)換層之間樓板的平面內(nèi)剛度例如樓板加厚,配筋率增加,雙向雙層配筋等。所謂相交主要是指剪力墻應(yīng)盡量布置成L形和T形,以使它們相互支撐,增大每片單肢墻的平面外剛度,增強抗扭性。
具體設(shè)計時剪力墻的長度、開洞等均需通過計算確定。剪力墻的計算長度確定后、應(yīng)將實墻面布置在兩端中間用洞口分隔,避免采用一端有剪力墻而另一端為獨立柱的方式。總之混凝土剪力墻具體布置時宜開設(shè)洞口形成若干墻段,并保證各墻段高寬比不小于2。
4 剪力墻施工順序
底框架結(jié)構(gòu)中底層墻體并不全是剪力墻,也有一部分是用于分割空間的填充墻。一般當(dāng)為混凝土剪力墻時,其區(qū)分非常明確,混凝土剪力墻以外的磚墻均為填充墻體,施工時混凝土剪力墻與框架柱同時澆筑,而填充墻應(yīng)待混凝土與框架柱達到設(shè)計強度,甚至主體完工后再施工;但當(dāng)?shù)讓蛹袅Σ捎们镀鲇诟芗苤g的磚墻時區(qū)分就不明確了,需設(shè)計人員出圖說明。剪力墻和填充墻施工順序不一致,砌體剪力墻必須與其周邊混凝土框架形成整體,才能充分發(fā)揮其抗側(cè)力作用。為保證與周邊混凝土框架緊密結(jié)合,應(yīng)先砌墻后澆框架柱,砌墻時要預(yù)留馬牙槎,預(yù)埋錨拉筋,且框架梁直接坐于墻頂,不需再支底模;而填充墻的施工時間則要晚得多,一般是在主體完工時后砌,墻頂預(yù)留二三皮磚,待沉實后再斜磚及砂漿填充。
5 剪力墻、如何正確計算
底框結(jié)構(gòu)上下層側(cè)向剛度比是有方向性的,一般只計算主軸方向的側(cè)向剛度比。對矯形布置的規(guī)則結(jié)構(gòu),其主軸方向即為互相垂直的X和Y向,現(xiàn)在常用的底框計算軟件中國建筑科學(xué)研究開發(fā)PKPM程序底框計算也只給出X向和Y向側(cè)向剛度比,這就給兩主軸不下交或L形、T形建筑的側(cè)向剛度比難處帶來一定的橫墻來計算剛度比,這樣從電腦的計算結(jié)果看K0和K90(0°和90°方向的剛度比)滿足要求了,實際上局部單肢的K0°和K90°遠遠不能滿足上述問題表面上是程序本身的問題但實質(zhì)上是計算模型錯誤。
當(dāng)前一些設(shè)計人員口重視上機計算而忽視基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí),電腦程序必須建立在正確的計算模型上,這是計算結(jié)果正確的技術(shù)前提。因此在輸入計算機前必須認真分析結(jié)構(gòu)的特性,首先建立一個模型,并仔細閱讀計算機設(shè)計軟件的編制原理、使用說明及技術(shù)條件與本工程相后才能正確使用計算機運算,準(zhǔn)確辨析計算結(jié)果的正誤。L形建筑正確的計算機運算,單肢計算時適當(dāng)考慮另一肢的影響,這樣才能防止兩肢互相干擾從而得出正確的結(jié)論,至于雙主軸不下交的建筑,在輸機前宜先用手算。
通過以上5個問題的分析,可得出以下結(jié)論:(1)首先應(yīng)滿足規(guī)范對剪力墻布置中強制性條文要求,臺間距;雙主軸均布等(2)應(yīng)盡可能采用混凝土剪力墻;(3)布置時遵循“豎直,均勻,對稱,相交“的8個字方針;(4)施工時必須區(qū)分剪力墻與填充墻;(5)不規(guī)則平面布局的剪力墻電算時應(yīng)根據(jù)具體問題具體分析。