分析房屋建筑结构中底部框架—抗震墙设计

周永平 葛亮亮

摘 要：底部框架-抗震墙房屋是指底部为钢筋混凝土框架-抗震墙结构，上部使用砌体承重的多层房屋，具有上下结构、材料、刚度不同的特点。这类建筑设计的规范的要求比一般混凝土房屋的严格，大多数均为强制性条文，结构计算也有特殊的要求。

关键词：抗震设计；结构设计；底部框架

1 引言

随着人们生活水平的提高，对房屋的需求越来越高，城市地域的有限性致使房屋不得不建的很高很高，人们把目光转移到了安全方面。因此，底部框架的抗震墙房屋的结构设计在整个建筑设计中变得尤其的关键，因为这种结构设计比多层钢筋抗震设计的造价低、施工更为方便。所以在我国广泛采用这种建筑形式。

2 底部框架-抗震墙房屋的结构特点

由于建筑功能的不同，建筑底部需要较大开间的商业用房，上部的砌体墙体无法直接落地，因此底部就必须选择另外的结构形式，采用框架能满足承载能力的要求，但不能保证侧向刚度的要求，因此就必须设置适当的抗震墙，从而就形成了底部框架-抗震墙砌体结构的结构类型。

底部框架-抗震墙砌体房屋的结构主要特点如下：

（1）底部框架-抗震墙的材料一般为钢筋混凝土，相对于上部砌体具有较好的“延性”，而上部是由砂浆和砌块结合砌筑而成的砌体材料，虽然砌体材料具有很好的抗压性，但是受剪抗拉性差，属于“脆性”材料。

（2）底部和上部的结构形式截然不同，底部由框架和抗震墙构成，而上部由砌体的抗震墙开间相对较小。上部砌体数量多、抗震墙开间小的结构，弥补了在材料方面上部砌体比钢筋混凝土弹性模量小的不足，但可能导致竖向刚度存在突变。大量的震害表明，底部的框架-抗震墙的抗震性能直接影响到房屋的抗震性能。

3 底部空间-抗震墙房屋结构设计的基本要求

《建筑抗震设计规范》对抗震房屋做出了很多要求，主要包括：

3.1 结构体系布置的合理性

上部的砌体墙体与底部的框架或抗震墙应对齐；底部应设置纵、横两个方向的框架，防止一方向为框架，另一方向为连续梁的结构。目的是抵抗两个方向的地震力。

3.2 建筑平面、立体面的布置要尽量的规则、对称

为了避免在水平地震力的作用下发生扭转破坏，要求底部框架-抗震墙砖砌房屋的建筑体型应尽可能的匀称、对称；抗震墙布置也要均匀分散并相互联系着。

3.3 严格限制建筑的高度和层数，且高宽要适当

《建筑抗震设计规范》对底部框架-抗震墙房屋的总高度、层数和高宽比均有严格的规定，对不同的地震烈度有不同的要求。

3.4 抗震墙的最大间距限制

抗震墙的间距可分为上部和底部。上部单层砖房的横墙间距和多层砖房的要求基本一致；底部要求其具有一定的变形和耗能能力。为了避免上下部分的抗震能力相差过大，规范规定底部框架-抗震墙的最大间距：Ⅵ度小于21m，Ⅶ度小于18m，Ⅷ度小于15m。

3.5 上下刚度比要求

底部框架-抗震墙和上部砌体的侧向刚度应接近，上下侧向刚度比：Ⅵ、Ⅶ度时不应大于2.0，Ⅷ度时不应大于1.5，且均不应小于1.0。

4 抗震结构的设计

抗震结构的设计很多，这里主要介绍底部抗震墙和框架的设计。

4.1 底部抗震墙的设计

底部框架-抗震墙房屋结构中的抗震墙作为抗震的第一道防线，主要起着承担竖向荷载、水平地震的作用。所以，在设计抗震墙的时候，《建筑抗震设计规范》规定抗震墙必须承担底部的100%的水平地震剪力，而框架当成安全储备来使用，不考虑框架承担地震剪力。底部框架-抗震墙房屋设计首先要满足最大横墙间距的限制，也就是设防区中Ⅵ、Ⅶ度和Ⅷ度的最大横墙间距应分别设计为21m、18m 和15m。底部抗震墙不仅要符合抗震横墙最大间距的要求，而且还要满足沿房屋两个主轴方向都必须布置抗震墙。所以，要求在布置上两个主轴方向的抗震墙成直角的形状，目的是为了充分发挥其抗震的作用。抗震墙的设计与上部砌体结构要具有一定的协调性。设计抗震墙时必须做到上、下部的侧移刚度均匀变化的原则，而不允许各层间有突变。因此，不应理解为底部的抗震墙设置越多越好或越强越好，而应当使上下协调，相互匹配。

例如，某Ⅶ度区底部的二层框架的抗震墙工程，负一层是地下室，楼层高度为3.6m；第一层是商业，层高3.9m；上托5 层是砖混住宅，层高2.8m。第一次PMCAD 主菜单8 试算可以不加入剪力墙，检索图形文件ZH2，了解到本层的地震剪力标准值V2=3423.7kN（见图1）。根据抗震规范第7.2.4 条第2 款规定取增大系数为1.4，根据抗震规范第6.2.8 条规定Ⅶ度区底部二层抗震墙需乘以1.4 的增大系数，地震剪力设计值Vw=1.3×1.4×1.4×3423.7kN=8723.6kN，《混凝土结构设计规范》计算公式（11.7.3-2）中γRE=0.85，βc=1.0，C35 混凝土fc=16.7N/mm2，可得出剪力墙横断面面积bh0=2.90m2，假定横墙墙厚b=0.25m，计算得出横向剪力墙的总长度为11.6m，剪力墙的总长度至少要达到11.6m。将横向剪力墙平均分成4 小段，每段为3.1m，按照平均、均衡、周围、分散的原则布置在横向框架内，一般将底层框架抗震墙房屋的剪力墙的高度和宽度比设计在1.5～3 之间，而底部两层框架抗震墙房屋剪力墙的高度和宽度比设计在2～4 之间会比较合乎实际；同时还要满足抗震规范第7.1.5 条对剪力墙横墙最大间距要求。假定纵向墙厚b=0.2m，计算得出横向剪力墙的总长度为14.5m，纵向剪力墙的总长度至少要达到这个值。前后的外纵墙作为商业门面混凝土墙垛要短，一般将前后外纵墙为布置2 段2.1m 长的剪力墙，中轴利用楼梯间布置3 段2.4m 长剪力墙，再次进入PMCAD 主菜单8 试算。

图1 二层抗震验算结果

验算结果满足规范要求。

4.2 底部框架的设计

一般用底部剪力法来计算底部框架-抗震墙房屋的抗震指数。对底部的双向地震剪力，包含底部为一层和两层的框架-抗震墙房屋设计值时，结合结构且根据侧向刚度的比值大小乘以范围为1.2～1.5 之间的增大系数。底部框架是抗震设计中的第二道防线，不仅承担竖向荷载，而且还要承担总地震剪力的20%。底部框架的设计按烈度不同来确定抗震等级。例如Ⅵ、Ⅶ和Ⅷ度区分别选择三、二和一级。确定底部框架的地震作用效应以及设计底部框架柱的地震剪力值，都按各个抗侧力构件的有效侧向刚度比例分配。抗测力构件的有效侧向刚度的数值对框架可不折减，而对混凝土墙、砌体抗震墙可分别乘以0.3 和0.2 的折减系数。计算底部框架柱的轴力，需考虑地震作用下产生的倾覆力矩引起的附加轴力。此时可将上部砌体房屋视为一个刚体，底部各轴线承受的地震倾覆力矩根据底部抗震墙和框架之间的侧向刚度比例分配来确定。

5 结论

本文介绍底部抗震墙和框架的结构，得出以下结论：

（1）底部框架-抗震墙房屋虽然是由两种不同材料和不同结构组成的混合房屋，如何把抗震墙设计得恰到好处，控制好刚度比，使其在一个合理的范围内，是该类房屋设计的关键。

（2）要正确选择计算模型，使其与基本假定一致。

（3）受力构件的配筋要正確，并应满足构造要求。