底框結(jié)構(gòu)

底框結(jié)構(gòu)
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).
　　在城市規(guī)劃設(shè)計中，往往要求臨街的住宅、辦公樓等建筑在底層設(shè)置商店、飯店、郵局或銀行等.而一些旅館因使用功能上的要求，也往往要在底層設(shè)置門廳、食堂會議室等。
　　這樣，房屋的上面幾層為縱橫墻較多的砌體承重結(jié)構(gòu)，而底層則因使用要求上需要大空間的原因采用框架結(jié)構(gòu)形成了磚混底層框架結(jié)構(gòu)。
　　對這種結(jié)構(gòu)，從抗震上來說是不太有利的，但因其在使用上的方便性和靈活性而被廣泛采用.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.
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設(shè)計時的注意要點
一、一般規(guī)定
　　1 底框結(jié)構(gòu)的破壞特性
　　底框結(jié)構(gòu)一般來說高度不是很高，風(fēng)荷載的影響較小，主要是承受豎向荷載和水平地震作用。當(dāng)然，在某些風(fēng)載較大的地區(qū)當(dāng)?shù)讓記]有設(shè)置抗震墻時，其在地震作用下的破壞特征是：
　　1） 二層以上磚房破壞的狀況與一般多層磚房基本相同；
　　2）底層的破壞比上面各層都嚴(yán)重，主要是底層柱喪失承載力，或因變形集中引起位移過大而破壞。底層柱在豎向荷載和水平地震剪力的聯(lián)合作用下，沿斜截面發(fā)生破壞后，又加劇了受壓破壞。有的柱由于鋼筋間距過大，特別是在柱的上下端箍筋沒有加密的情況下，破壞更加突出。有的鋼筋混凝土柱因縱向鋼筋的配筋率太高（超過 6%），使柱喪失韌性，發(fā)生脆性破壞；
　　3） 由于底框結(jié)構(gòu)上部磚房的重量較大，底部重量相對較輕，在“頭重腳輕”的情況下再加上平面布置不對稱的情況下發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞。
　　針對以上情況，規(guī)范規(guī)定對此類結(jié)構(gòu)的底層不能采用純框架結(jié)構(gòu)，一定要在兩個方向設(shè)置抗震墻，成為框架——抗震墻結(jié)構(gòu)。至于抗震墻的材料，在6、7 度抗震設(shè)防時新規(guī)范雖然允許采用磚墻，但應(yīng)計入磚對框架的附加軸力和附加剪力（老的抗震規(guī)范無此要求）。其余情況均應(yīng)采用鋼筋混凝土抗震墻。
　　2 底框結(jié)構(gòu)的總高度和層數(shù)的限制
　　上海地區(qū)一般6度和7度抗震設(shè)防情況下，上海地區(qū)的抗震規(guī)范規(guī)定：底層框架結(jié)構(gòu)的總高度限制在19米。但這個高度是指室外地平面至檐口的高度，不包括女兒墻的高度。層數(shù)一般限制在6層，即底層為框架，上部磚砌體最多為5層。但由于現(xiàn)在新的抗震規(guī)范已經(jīng)對上述限制作出了突破（分別為21米和7層的限制，且允許采用兩層底框結(jié)構(gòu)）。而上海地區(qū)新的抗震規(guī)范尚未出臺，所以此時我們可以兼顧兩個規(guī)范作出決定。
　　3 底層抗震橫墻的最大間距
　　橫墻的間距限制主要是防止樓板平面出現(xiàn)過大的變形而不能使各層的地震作用傳遞到抗震墻上，因此與樓、屋蓋的剛度有關(guān)。一般情況下，底框結(jié)構(gòu)的樓、屋蓋采用現(xiàn)澆至少也應(yīng)保證整體式裝配。此時，抗震橫墻的最大間距在6度時為25米，7度時為21米。
　　4 底層框架的抗震等級
　　老的抗震規(guī)范中，底層的框架抗震等級6、7度時分別為四級和三級，新抗震規(guī)范中均將其提高一級處理。
二、計算要點
　　1 層剛比的控制
　　控制側(cè)移剛度比的規(guī)定是根據(jù)底層為大空間的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)實驗和研究分析結(jié)果提出的。圖二是兩個結(jié)構(gòu)模型的側(cè)移曲線，模型A是一般的抗震墻結(jié)構(gòu)，上下剛度變化均勻，其彈性反應(yīng)（虛線）與彈塑性反應(yīng)（實線）的側(cè)移曲線基本一致，上下變化也較均勻；模型B是底層大空間的抗震墻結(jié)構(gòu)，彈性側(cè)移反應(yīng)中，底層稍大于其它各層，而彈塑性側(cè)移反應(yīng)中，底層側(cè)移特別大，出現(xiàn)了顯著的塑性變形集中。圖三是層間位移曲線的比較，更明顯的反映出底層存在塑性變形的集中。底層越弱，塑性變形集中的現(xiàn)象越嚴(yán)重，其程度基本上與上下側(cè)移剛度比成正比。而結(jié)構(gòu)破壞的程度層面變形成正比。因此，要減輕地震時底層的破壞程序，就要對上下部的側(cè)移剛度比進(jìn)行控制。即對γ=K2/K1進(jìn)行控制。其中，K2是磚混部分最下一層的側(cè)移剛度，即該層所有磚墻的側(cè)移剛度之和。K1為框架層最上一層的側(cè)移剛度，它由三部分組成：其一是該層的框架側(cè)移剛度之和，其二為該層混凝土抗震墻側(cè)移剛度之和，其三為該層磚抗震墻側(cè)移剛度之和。按上�？拐鹨�(guī)范，7度時γ應(yīng)在1-2之間。按全國抗震規(guī)范，老規(guī)范中由于對底部兩層框架的結(jié)構(gòu)未加考慮，故僅對一層底框的情況進(jìn)行控制，γ應(yīng)在1-3之間。而新的抗震規(guī)范則對一層底框架和兩層底框均加以控制，一層時γ應(yīng)在1-2.5之間，兩層時γ應(yīng)在1-2之間。這一點作為設(shè)計人員應(yīng)予以重視。要達(dá)到上述要求，采用鋼筋混凝土抗震墻比采用磚抗震墻容易得到滿足。因為混凝土的彈性模量大約10倍于磚砌體的彈性模量。
　　2 地震作用的計算
　　底框結(jié)構(gòu)的地震作用計算方法一般為底部剪力法，其中地震影響系數(shù)一律取αmax。在計算時，上海地區(qū)可注意五個不必：
　　1） 不必計算結(jié)構(gòu)的自振周期；
　　2） 不必查地震影響系數(shù)曲線；
　　3） 不必考慮頂部附加水平地震作用；
　　4） 不必考慮豎向地震作用的影響；
　　5） 不必考慮地基基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的相互影響。
　　底框結(jié)構(gòu)的總水平地震剪力標(biāo)準(zhǔn)值的計算公式為：Fek=αmaxGeq。其中Geq為結(jié)構(gòu)的等效總重力荷載代表值，但應(yīng)注意其取值為各層等重力荷載代表值之和的85%�？偹�平地震作用沿高度的分布為：Fi=(GiHi/∑GiHi)Fek。
　　3 底層的設(shè)計地震剪力
　　各層的地震剪力設(shè)計值的計算公式為：Vi=γEH∑Fi。其中γEH為水平地震作用的分項系數(shù)，一般取為1.3。此處應(yīng)注意的是，用上式求出的底層地震剪力設(shè)計值還應(yīng)乘以一個增大系數(shù)。這是因為底部剪力法僅適用于剛度沿高度方向均勻變化的多層結(jié)構(gòu)，而底框結(jié)構(gòu)是具有薄弱底層的多層結(jié)構(gòu)，故借用底部剪力法時應(yīng)做適當(dāng)?shù)男拚�。上海�?guī)范規(guī)定縱向和橫向的地震剪力設(shè)計值均乘以1.5的增大系數(shù)。而全國規(guī)范則按前文提到的上下側(cè)移剛度比γ的大小，按η=1+ 0.17γ來計算增大系數(shù)，其值在1.2—1.5之間。
　　4 底層抗震墻承擔(dān)的水平地震剪力
　　在底層，抗震墻的側(cè)移剛度比框架的側(cè)移剛度大幾十倍甚至上百倍。這樣，按剛度分配，框架所承擔(dān)的水平地震剪力還達(dá)不到總水平地震剪力的5%，為簡化計算，可略去不計。因此，上海規(guī)范和全國規(guī)范均規(guī)定，增大后的縱橫向的地震剪力，全部按該方向的抗震墻承擔(dān)，并按該方向的各片抗震墻的剛度的比例來進(jìn)行分配。
　　5 底層框架承擔(dān)的水平地震剪力
　　既然底層的水平地震剪力都是由抗震墻承擔(dān)，那為什么還要考慮框架承擔(dān)的水平地震剪力呢？這主要是從安全的角度出發(fā)，考慮到抗震墻剛度降低而引起的框架承擔(dān)的剪力的增大。此時，框架承擔(dān)的水平地震剪力按抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的有效側(cè)移剛度的比例分配。所謂有效側(cè)移剛度指的是地震作用下結(jié)構(gòu)處于某個變形階段時各構(gòu)件的實際剛度。當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇7度或以上地震時，目前一般方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)將進(jìn)入彈塑性變形狀態(tài)，即墻體有一定裂縫而使其剛度急劇下降，從而對地震剪力在框架和抗震墻間的分配產(chǎn)生顯著影響。
　　圖四是框架在水平力作用下的側(cè)力-位移關(guān)系曲線，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/500之前，二者基本上是線性關(guān)系，框架處于彈性變形階段以內(nèi)。圖五是鋼筋混凝土抗震墻的側(cè)力-位移關(guān)系曲線，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/4000時，剛度就開始下降，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/500時，其割線剛度約等于初始彈性剛度的 30%。圖六是磚抗震墻的側(cè)力-位移關(guān)系曲線，當(dāng)層間位移角達(dá)到1/500時，其割線剛度已經(jīng)大約下降到初始彈性剛度的13%。
　　綜合上述實驗結(jié)果，可以認(rèn)為：當(dāng)層間位移角接近1/500時，框架的剛度不變，鋼筋混凝土抗震墻的剛度降至30%，磚抗震墻剛度約降至20%。此后，位移加大，框架的剛度也下降，但墻的剛度也繼續(xù)下降，三者之間的比例關(guān)系基本不變。這樣，底層一榀縱向或橫向框架所承擔(dān)的水平剪力計算公式為：Vf =KfV/（∑Kf+0.3∑Kcw+0.2∑Kbw）。其中Kf為一榀框架的側(cè)移剛度，Kcw為一榀鋼筋混凝土抗震墻的側(cè)移剛度，Kbw為一榀磚抗震墻的側(cè)移剛度。
　　6 底層傾覆力矩在框架和抗震墻之間的分配
　　在各層的水平地震作用下，將會產(chǎn)生底層的傾覆力矩。在以往的工程設(shè)計中，往往將作用于底層的傾覆力矩視同水平地震剪力，按各榀構(gòu)件的側(cè)移剛度比例進(jìn)行分配，使抗震墻承擔(dān)過多的傾覆力矩，導(dǎo)致設(shè)計困難。實際上，傾覆力矩和水平剪力的性質(zhì)不一樣。后者產(chǎn)生側(cè)移故按側(cè)移剛度分配，前者產(chǎn)生轉(zhuǎn)動應(yīng)按底層的框架和抗震墻的轉(zhuǎn)動剛度的比例進(jìn)行分配。該傾覆力矩進(jìn)行分配后將使底層抗震墻產(chǎn)生附加彎矩，使底層的框架產(chǎn)生附加軸力。