底框結構是我國現階段經濟條件下特有的一種結構.
在城市規劃設計中，往往要求臨街的住宅、辦公樓等建築在底層設定商店、飯店、郵局或銀行等.而一些旅館因使用功能上的要求，也往往要在底層設定門廳、食堂會議室等。
基本介紹
- 中文名：底框結構
- 屬於：現階段經濟條件下特有的一種結構
- 包括：底層設定門廳、食堂會議室等
- 注意要點：底框結構的破壞特性
來源與定義,注意要點,一般規定,計算要點,抗震牆布置,
來源與定義
底框結構是我國現階段經濟條件下特有的一種結構.
在城市規劃設計中，往往要求臨街的住宅、辦公樓等建築在底層設定商店、飯店、郵局或銀行等.而一些旅館因使用功能上的要求，也往往要在底層設定門廳、食堂會議室等。
這樣，房屋的上面幾層為縱橫牆較多的砌體承重結構，而底層則因使用要求上需要大空間的原因採用框架結構形成了磚混底層框架結構。
注意要點
一般規定
1 底框結構的破壞特性
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合作用下，沿斜截面發生破壞後，又加劇了受壓破壞。有的柱由於鋼筋間距過大，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，發生脆性破壞；
3） 由於底框結構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生扭轉破壞。
針對以上情況，規範規定對此類結構的底層不能採用純框架結構，一定要在兩個方向設定抗震牆，成為框架——抗震牆結構。至於抗震牆的材料，在6、7 度抗震設防時新規範雖然允許採用磚牆，但應計入磚對框架的附加軸力和附加剪力（老的抗震規範無此要求）。其餘情況均應採用鋼筋混凝土抗震牆。
2 底框結構的總高度和層數的限制
上海地區一般6度和7度抗震設防情況下，上海地區的抗震規範規定：底層框架結構的總高度限制在19米。但這個高度是指室外地平面至檐口的高度，不包括女兒牆的高度。層數一般限制在6層，即底層為框架，上部磚砌體最多為5層。但由於現在新的抗震規範已經對上述限制作出了突破（分別為21米和7層的限制，且允許採用兩層底框結構）。而上海地區新的抗震規範尚未出台，所以此時我們可以兼顧兩個規範作出決定。
3 底層抗震橫牆的最大間距
橫牆的間距限制主要是防止樓板平面出現過大的變形而不能使各層的地震作用傳遞到抗震牆上，因此與樓、屋蓋的剛度有關。一般情況下，底框結構的樓、屋蓋採用現澆至少也應保證整體式裝配。此時，抗震橫牆的最大間距在6度時為25米，7度時為21米。
4 底層框架的抗震等級
老的抗震規範中，底層的框架抗震等級6、7度時分別為四級和三級，新抗震規範中均將其提高一級處理。
計算要點
1 層剛比的控制
控制側移剛度比的規定是根據底層為大空間的鋼筋混凝土結構的彈塑性地震反應實驗和研究分析結果提出的。圖二是兩個結構模型的側移曲線，模型A是一般的抗震牆結構，上下剛度變化均勻，其彈性反應（虛線）與彈塑性反應（實線）的側移曲線基本一致，上下變化也較均勻；模型B是底層大空間的抗震牆結構，彈性側移反應中，底層稍大於其它各層，而彈塑性側移反應中，底層側移特別大，出現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，塑性變形集中的現象越嚴重，其程度基本上與上下側移剛度比成正比。而結構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式，就要對上下部的側移剛度比進行控制。
即對γ=K2/K1進行控制。其中，K2是磚混部分最下一層的側移剛度，它由三部分組成：其一是該層的框架側移剛度之和，其二為該層混凝土抗震牆側移剛度之和，其三為該層磚抗震牆側移剛度之和。K1為框架層最上一層的側移剛度，即該層所有磚牆的側移剛度之和。按上海抗震規範，7度時γ應在1-2之間。按全國抗震規範，老規範中由於對底部兩層框架的結構未加考慮，故僅對一層底框的情況進行控制，γ應在1-3之間。而新的抗震規範則對一層底框架和兩層底框均加以控制，一層時γ應在1-2.5之間，兩層時γ應在1-2之間。這一點作為設計人員應予以重視。要達到上述要求，採用鋼筋混凝土抗震牆比採用磚抗震牆容易得到滿足。因為混凝土的彈性模量大約10倍於磚砌體的彈性模量。
2 地震作用的計算
1） 不必計算結構的自振周期；
2） 不必查地震影響係數曲線；
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） 不必考慮地基基礎與結構的相互影響。
底框結構的總水平地震剪力標準值的計算公式為：Fek=αmaxGeq。其中Geq為結構的等效總重力荷載代表值，但應注意其取值為各層等重力荷載代表值之和的85%。總水平地震作用沿高度的分布為：Fi=(GiHi/∑GiHi)Fek。
3 底層的設計地震剪力
各層的地震剪力設計值的計算公式為：Vi=γEH∑Fi。其中γEH為水平地震作用的分項係數，一般取為1.3。此處應注意的是，用上式求出的底層地震剪力設計值還應乘以一個增大係數。這是因為底部剪力法僅適用於剛度沿高度方向均勻變化的多層結構，而底框結構是具有薄弱底層的多層結構，故借用底部剪力法時應做適當的修正。上海規範規定縱向和橫向的地震剪力設計值均乘以1.5的增大係數。而全國規範則按前文提到的上下側移剛度比γ的大小，按η=1+ 0.17γ來計算增大係數，其值在1.2—1.5之間。
4 底層抗震牆承擔的水平地震剪力
在底層，抗震牆的側移剛度比框架的側移剛度大幾十倍甚至上百倍。這樣，按剛度分配，框架所承擔的水平地震剪力還達不到總水平地震剪力的5%，為簡化計算，可略去不計。因此，上海規範和全國規範均規定，增大後的縱橫向的地震剪力，全部按該方向的抗震牆承擔，並按該方向的各片抗震牆的剛度的比例來進行分配。
5 底層框架承擔的水平地震剪力
綜合上述實驗結果，可以認為：當層間位移角接近1/500時，框架的剛度不變，鋼筋混凝土抗震牆的剛度降至30%，磚抗震牆剛度約降至20%。此後，位移加大，框架的剛度也下降，但牆的剛度也繼續下降，三者之間的比例關係基本不變。這樣，底層一榀縱向或橫向框架所承擔的水平剪力計算公式為：Vf =KfV/（∑Kf+0.3∑Kcw+0.2∑Kbw）。其中Kf為一榀框架的側移剛度，Kcw為一榀鋼筋混凝土抗震牆的側移剛度，Kbw為一榀磚抗震牆的側移剛度。
6 底層傾覆力矩在框架和抗震牆之間的分配
在各層的水平地震作用下，將會產生底層的傾覆力矩。在以往的工程設計中，往往將作用於底層的傾覆力矩視同水平地震剪力，按各榀構件的側移剛度比例進行分配，使抗震牆承擔過多的傾覆力矩，導致設計困難。實際上，傾覆力矩和水平剪力的性質不一樣。後者產生側移故按側移剛度分配，前者產生轉動應按底層的框架和抗震牆的轉動剛度的比例進行分配。該傾覆力矩進行分配後將使底層抗震牆產生附加彎矩，使底層的框架產生附加軸力。
抗震牆布置
1．剪力牆布置原則 底框架結構中的剪力牆既是承擔豎向荷載的主要構件，更是承擔水平力的主要構件，在地震中起第一道 防線作用，因此在設計時要考慮底部剪力牆承擔100%的水平地震作用，而框架只承擔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生變形集中，會出現過大的側移而嚴重破壞甚至倒塌。有鑒於此，新規範在近十幾年各地試驗研究的基礎上，對底框架結構剪力牆的布置做出了更科學的調整。
首先抗震牆間距要滿足最大橫牆間距限制，6、7、8度設防區最大橫牆間距分別為21m、18m、和1 5m。
其次，剪力牆應沿2個主軸方向都有布置，使之形成直角以更好地發揮抗震作用。
另外要克服矯枉過正的偏見，有些設計人員認為既然底框結構底層薄弱就多布置一點剪力牆越強越好，實際上是走向另一個極端。剪力牆的設定應與上部砌體結構相協調，抗震設計的原則是沿樓層間側移剛度應均勻變化 ，而不允許各層間發生突變。
2．剪力牆使用材料
規範中規定6、7度且總層數不超過5層的底框房屋，應允許採用嵌砌於框架之間的砌體抗震牆砌體抗震牆適用於總層數少、柱距較小、平面規整的建築，它造價低，施工方便。但無率是在使用上或抗震上，還是採用混凝土牆好。計算其在相同高度和截面尺寸下的剛底之比，先假設它們同為整體牆（開小洞口），由整體牆截面的等效抗彎剛底公式：
EIeq=EIw/1+9ulw/Awh）
經驗算這一結果對於幾何條件相同的小開口牆和連肢牆同樣適用。因此相同條件下C30混凝土牆剛度相當於Mu10磚、M10砂漿磚牆的9.92倍，由此可見採用混凝土牆可大減少底層剪力牆的數量，經筆者總結多個底框工程實例經驗，常規底框結構設計時既符合抗震，又較經濟合理的混凝土剪力牆截面積大約占上層磚混結構同方向牆截面積的5%~10%，而要達到同樣要求所需的磚砌體剪力牆則遠遠大於這個比例，所以採用混凝土牆可使底層開間布置更加靈活，可利用空間更大。由於用量少，總造價也僅比磚砌體剪力體系，使結構遇地震時延性增大，避免了出現脆性破壞的機率。現在新規範已經縮小了6、7度時採用磚剪 力牆範圍，並對底層磚剪力牆的構造做出了專門規定，因此應儘量選用混凝土剪力牆。
相關試驗表明，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，可有效增加底層槓架的安全儲備，但儘管如此布置也並不全周邊，中間還需要很多剪力牆。因此底框結構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牆時應儘量對應上部上下豎直、中間不間斷的牆體，否則即使底層布置的剪力牆剛度再大，若豎向無對應的上部牆體，不僅傳力途徑不直接，且上下層剛心相距較遠，地震時上部牆體與底層剪力牆間會形成很大扭矩，極易破壞。
另外，布置底層剪力牆時要避開上部牆體洞口，若具體執行時實在難以避開，（例如樓梯間入戶門等），那么應採取在上部洞口兩側增加構造柱等加強措施，以更好地傳遞地震力。對個別剪力牆未能與上層磚牆對應者，應設法加大底層與二層轉換層之間樓板的平面內剛度例如樓板加厚，配筋率增加，雙向雙層配筋等。所謂相交主要是指剪力牆應儘量布置成L形和T形，以使它們相互支撐，增大每片單肢牆的平面外剛度，增強抗扭性。
具體設計時剪力牆的長度、開洞等均需通過計算確定。剪力牆的計算長度確定後、應將實牆面布置在兩端中間用洞口分隔，避免採用一端有剪力牆而另一端為獨立柱的方式。總之混凝土剪力牆具體布置時宜開設洞口形成若干牆段，並保證各牆段高寬比不小於2.
4．剪力牆施工順序
底框架結構中底層牆體並不全是剪力牆，也有一部分是用於分割空間的填充牆。一般當為混凝土剪力牆時，其區分非常明確，混凝土剪力牆以外的磚牆均為填充牆體，施工時混凝土剪力牆與框架柱同時澆築，而填充牆應待混凝土與框架柱達到設計強度，甚至主體完工後再施工；但當底層剪力牆採用嵌砌於槓架柱間的磚牆時區分就不明確了，需設計人員出圖說明。剪力牆和填充牆施工順序不一致，砌體剪力牆必須與其周邊混凝土框架形成整體，才能充分發揮其抗側力作用。為保證與周邊混凝土框架緊密結合，應先砌牆後澆框架柱（構造柱），砌牆時要預留馬牙槎，預埋錨拉筋，且框架梁直接坐於牆頂，不需再支底模；而填充牆的施工時間則要晚得多，一般是在主體完工時砌，牆頂預留二三皮磚，待沉實後再用磚及砂漿填充。
5．剪力牆、如何正確計算
當前一些設計人員口重視上機計算而忽視基礎理論的學習，電腦程式必須建立在正確的計算模型上，這是計算結果正確的技術前提。因此在輸入計算機前必須認真分析結構的特性，首先建立一個模型，並仔細閱讀計算機設計軟體的編制原理、使用說明及技術條件與本工程相後才能正確使用計算機運算，準確辨析計算結果的正誤。L形建築正確的計算機運算，單肢計算時適當考慮另一肢的影響，這樣才能防止兩肢互相干擾從而得出正確的結論，至於雙主軸不下交的建築，在輸機前宜先用手算。
