底框结构房屋抗震性能研究

李鹏飞

摘要：底部框架房屋是指底部采用钢筋混凝土框架的多层砖房，这种结构整体抗震性能差，遇到地震时若设计处理不当，最容易引起底部的严重破坏，从而危及整个房屋的安全。本文介绍了底框结构的特点及现状，采用ABAQUS有限元软件对其进行分析，并探讨了底框结构的抗震性能和变形特征，确保底框结构抗震设计满足规范要点。

关键词：框架结构；有限元分析；抗震性能

近年来的地震中，底框结构破坏情况都十分严重。由于底框结构的底层空间布置比较灵活，与纯框架结构相比又具有施工周期短，造价低等特点，因此在建筑中应用十分广泛。本文以地震中一栋严重破坏的底框结构为实例，采用ABAQUS有限元软件进行非线性时程分析，将计算结果与实际震害对比。在此实例结构的基础上，通过计算实例结构各层层间位移角判断各个楼层之间相对破坏程度，与结构在地震中的实际震害十分相符，表明了计算模型和计算参数是正确的。

一、框架结构

1、建筑结构特点。该结构建筑均为2000年以后，框架结构形式的房屋底层一般是使用空间较大的商店、车库等，层高3-3.3m，建筑物总高度9-13.2m。起居室宽度3.6-4.5m，其余房间开间3-4.5m。二层以上为卧室、书房等。设有阳台，且均为悬挑梁阳台，外挑长度1.2-1.5m。墙体材料大多为粘土实心砖。墙体厚度为180mm或240mm。通常，采用框架结构形式的房屋，构件的截面、配筋等满足规范要求，平面、立面结构布置合理，基本满足抗震设计要求。已建建筑物没有出现不均匀沉降和构件开裂等现象。

2、现状及问题。1)沉降缝的设置。部分建筑物于层高不相同的地方没有设置沉降缝或者后浇带。因此，这类建筑物在地质条件不好的情况下，首先发生不均匀沉降，可能造成各部位墙体开裂，同时引起部分构件屈服甚至破坏，进而在地震的纵波和横波的共同作用下增大整个建筑物的变形。2)女儿墙的设计。调查发现，对于建筑材料没有采用钢筋混凝土浇筑而采用粘土砖砌筑的女儿墙，虽然设有构造柱，但没有在构造柱和墙体连接的地方配置拉结筋，更没有压顶，一些地方甚至没有设置构造柱。这样的附属建筑很有可能在地震横波和纵波的同时作用下破坏而脱落下来导致人员伤亡。

二、震害实例与非线性时程分析模型

1、底框结构震害实例。本文选取位于某市的一栋底框结构住宅楼作为研究实例，该建筑总层数为6层，底部框架-抗震墙结构1层，上部砌体结构5层。其中首层为商店，增加商业用途的目的，主体结构首层楼板与砌体裙房的楼板采用钢筋混凝土现浇为一个整体。该结构按II类场地，7度0.1g抗震设防设计。纵向受力钢筋均采用HＲB335，构造箍筋采用HPB235。

2、有限元模型。通过ABAQUS有限元软件建立模型进行地震反应模拟。底层的框架柱、框架梁和钢筋混凝土抗震墙采用solid单元模拟，底层的填充墙简化成对角斜撑杆，斜撑杆采用truss单元模拟，各层楼板和上部普通砖砌体墙采用shell单元模拟。钢筋、混凝土本构关系采用GB50010。

3、有限元分析结果与实际震害的比较。输入的地震动采用地震中记录到的适用于II类场地的卧龙地震波。卧龙波X、Y和Z向加速度时程曲线见图。对实例结构采用X、Y双向地震动输入进行弹塑性时程分析。模型M1各楼层层间位移角随着地震动峰的增加而增大，Y向由于横墙较多，层间位移角数值略小于X向；首层层间位移角最大，但由于首层是框剪层，变形及耗能能力远优于上部砌体层，因此虽然层间位移角较大，但始终小于GB50011。上部砌体层砌筑材料为脆性材料，变形能力较差，结构第2层为过渡层，处于结构竖向刚度剧烈变化的区域，且受首层扭转反应较大的影响，在峰值加速度为0.6g和0.8g时双向都是砌体层中层间位移角最大的楼层，因此第2层在整个结构中破坏最重，与实际震害相符。这说明，本文的计算模型是合理的，时程分析结果正确可靠。

三、底框结构房屋的抗震性能分析

1、底部框架—抗震墙砌体房屋是由底层或底部两层为框架抗震墙、上部为多层砌体房屋构成的。这类房屋的抗震墙结构部分具有一定的抗侧力刚度、承载能力、变形能力及耗能能力；上部多层砌体房屋具有较大的抗侧移刚度和一定的承载能力，但变形和耗能能力相对较差。这种结构的整体抗震能力取决于底部和上部各自的抗震能力，又取决于底部和上部结构的抗侧力刚度和抗震能力的相互大小程度，不能存在特别薄弱的楼层，震害比较严重的部位，均是由于抗震设计考虑不周而出现的相对薄弱的楼层。因此，尽量避免薄弱楼层是抗震设计中的一个相当重要的概念。

2、底部框架结构与上部砖混结构的刚度相比，是底框抗震墙结构设计的最关键问题。若底部结构的刚度相对于上部砖混结构的刚度比较大，整个结构形成下刚上柔的结构体系能较好地抵抗地震作用，是比较理想的结构体系；但下部刚度太大意味着下部框架结构中的抗震墙数量较多或者柱子的截面较大，这样既影响了建筑空间的利用又增加了工程的造价。

3、合理的抗震墙数量应该是底部框架结构的层间位移反应较为均匀，避免底层过强使得薄弱楼层转移到抗震性能较差的上部砖房部分；使房屋的薄弱部位出现在变形和耗能能力都较好的底部框剪层，可避免框剪层变形过分集中，提高结构的整体抗震能力。抗震墙数量的确定与很多因素有关，如层刚度比、抗震墙设置的间距、框剪层与相邻砖砌体层的弹塑性位移的比值、抗震墙的布置形式等。

4、底框结构房屋的层数分别选取了6、7和8层三种情况，输入16条地震记录，其加速度峰值调整到使之相当于7度地震.得到的最大层间位移角见图.随着房屋层数的增加，各层的位移反应增加，对较硬场地，6-8层底框剪砌体房屋最大层间位移角随总高度的增大趋势很缓慢；但对软场地，则各层位移角受高度影响很大，7层和8层房屋最大层间位移角达到甚至超过极限限值。

由于底部框架抗震墙砖房是由钢筋混凝土框架抗震墙和上部砖房两种承重体系和抗侧力体系构成，这两种抗侧力体系在抗震性能等方面的差异，使得这类结构的结构选型与抗震设计比较复杂。临街建筑采用这类结构，底部临街一侧由于使用及美观的要求，常不设置抗震墙或设置的抗震墙的数量较少，另一侧设置的抗震墙的数量则较多，造成结构的质心与刚度中心不一致，地震时易引起较为严重的扭转效应，加剧了地震的破坏作用。只要经过合理的设计，底框结构能够满足抗震设防要求。底框结构的薄弱层一般为框剪层，控制好框剪层的受力和变形对于底框结构的设计是极其重要的。

参考文献

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[2]赵玉琴，王文武.房屋的抗震设防措施[J].山西建筑,2015,33(22):75-76.