底框结构

经济术语

底框结构是我国现阶段经济条件下特有的一种结构。

来源与定义

这样，房屋的上面几层为纵横墙较多的砌体承重结构，而底层则因使用要求上需要大空间的原因采用框架结构形成了砖混底层框架结构。

注意要点

一般规定

1 底框结构的破坏特性

底框结构一般来说高度不是很高，风荷载的影响较小，主要是承受竖向荷载和水平地震作用。当然，在某些风载较大的地区当底层没有设置抗震墙时，其在地震作用下的破坏特征是：

（1）二层以上砖房破坏的状况与一般多层砖房基本相同；

（2）底层的破坏比上面各层都严重，主要是底层柱丧失承载力，或因变形集中引起位移过大而破坏。底层柱在竖向荷载和水平地震剪力的联合作用下，沿斜截面发生破坏后，又加剧了受压破坏。有的柱由于钢筋间距过大，特别是在柱的上下端箍筋没有加密的情况下，破坏更加突出。有的钢筋混凝土柱因纵向钢筋的配筋率太高（超过 6%），使柱丧失韧性，发生脆性破坏；

（3）由于底框结构上部砖房的重量较大，底部重量相对较轻，在“头重脚轻”的情况下再加上平面布置不对称的情况下发生扭转破坏。

针对以上情况，规范规定对此类结构的底层不能采用纯框架结构，一定要在两个方向设置抗震墙，成为框架——抗震墙结构。至于抗震墙的材料，在6、7 度抗震设防时新规范虽然允许采用砖墙，但应计入砖对框架的附加轴力和附加剪力（老的抗震规范无此要求）。其余情况均应采用钢筋混凝土抗震墙。

2 底框结构的总高度和层数的限制

上海地区一般6度和7度抗震设防情况下，上海地区的抗震规范规定：底层框架结构的总高度限制在19米。但这个高度是指室外地平面至檐口的高度，不包括女儿墙的高度。层数一般限制在6层，即底层为框架，上部砖砌体最多为5层。但由于新的抗震规范已经对上述限制作出了突破（分别为21米和7层的限制，且允许采用两层底框结构）。而上海地区新的抗震规范尚未出台，所以此时我们可以兼顾两个规范作出决定。

3 底层抗震横墙的最大间距

横墙的间距限制主要是防止楼板平面出现过大的变形而不能使各层的地震作用传递到抗震墙上，因此与楼、屋盖的刚度有关。一般情况下，底框结构的楼、屋盖采用现浇至少也应保证整体式装配。此时，抗震横墙的最大间距在6度时为25米，7度时为21米。

4 底层框架的抗震等级

老的抗震规范中，底层的框架抗震等级6、7度时分别为四级和三级，新抗震规范中均将其提高一级处理。

计算要点

1 层刚比的控制

控制侧移刚度比的规定是根据底层为大空间的钢筋混凝土结构的弹塑性地震反应实验和研究分析结果提出的。图二是两个结构模型的侧移曲线，模型A是一般的抗震墙结构，上下刚度变化均匀，其弹性反应（虚线）与弹塑性反应（实线）的侧移曲线基本一致，上下变化也较均匀；模型B是底层大空间的抗震墙结构，弹性侧移反应中，底层稍大于其它各层，而弹塑性侧移反应中，底层侧移特别大，出现了显著的塑性变形集中。图三是层间位移曲线的比较，更明显的反映出底层存在塑性变形的集中。底层越弱，塑性变形集中的现象越严重，其程度基本上与上下侧移刚度比成正比。而结构破坏的程度层面变形成正比。因此，要减轻地震时底层的破坏程序，就要对上下部的侧移刚度比进行控制。

即对γ=K2/K1进行控制。其中，K2是砖混部分最下一层的侧移刚度，它由三部分组成：其一是该层的框架侧移刚度之和，其二为该层混凝土抗震墙侧移刚度之和，其三为该层砖抗震墙侧移刚度之和。K1为框架层最上一层的侧移刚度，即该层所有砖墙的侧移刚度之和。按上海抗震规范，7度时γ应在1-2之间。按全国抗震规范，老规范中由于对底部两层框架的结构未加考虑，故仅对一层底框的情况进行控制，γ应在1-3之间。而新的抗震规范则对一层底框架和两层底框均加以控制，一层时γ应在1-2.5之间，两层时γ应在1-2之间。这一点作为设计人员应予以重视。要达到上述要求，采用钢筋混凝土抗震墙比采用砖抗震墙容易得到满足。因为混凝土的弹性模量大约10倍于砖砌体的弹性模量。

2 地震作用的计算

底框结构的地震作用计算方法一般为底部剪力法，其中地震影响系数一律取αmax。在计算时，上海地区可注意五个不必：

（1）不必计算结构的自振周期；

（2）不必查地震影响系数曲线；

（3）不必考虑顶部附加水平地震作用；

（4）不必考虑竖向地震作用的影响；

（5）不必考虑地基基础与结构的相互影响。

底框结构的总水平地震剪力标准值的计算公式为：Fek=αmaxGeq。其中Geq为结构的等效总重力荷载代表值，但应注意其取值为各层等重力荷载代表值之和的85%。总水平地震作用沿高度的分布为：Fi=(GiHi/∑GiHi)Fek。

3 底层的设计地震剪力

各层的地震剪力设计值的计算公式为：Vi=γEH∑Fi。其中γEH为水平地震作用的分项系数，一般取为1.3。此处应注意的是，用上式求出的底层地震剪力设计值还应乘以一个增大系数。这是因为底部剪力法仅适用于刚度沿高度方向均匀变化的多层结构，而底框结构是具有薄弱底层的多层结构，故借用底部剪力法时应做适当的修正。上海规范规定纵向和横向的地震剪力设计值均乘以1.5的增大系数。而全国规范则按前文提到的上下侧移刚度比γ的大小，按η=1+ 0.17γ来计算增大系数，其值在1.2—1.5之间。

4 底层抗震墙承担的水平地震剪力

在底层，抗震墙的侧移刚度比框架的侧移刚度大几十倍甚至上百倍。这样，按刚度分配，框架所承担的水平地震剪力还达不到总水平地震剪力的5%，为简化计算，可略去不计。因此，上海规范和全国规范均规定，增大后的纵横向的地震剪力，全部按该方向的抗震墙承担，并按该方向的各片抗震墙的刚度的比例来进行分配。

5 底层框架承担的水平地震剪力

既然底层的水平地震剪力都是由抗震墙承担，那为什么还要考虑框架承担的水平地震剪力呢？这主要是从安全的角度出发，考虑到抗震墙刚度降低而引起的框架承担的剪力的增大。此时，框架承担的水平地震剪力按抗侧力结构的有效侧移刚度的比例分配。所谓有效侧移刚度指的是地震作用下结构处于某个变形阶段时各构件的实际刚度。当结构遭遇7度或以上地震时，一般方法设计的结构将进入弹塑性变形状态，即墙体有一定裂缝而使其刚度急剧下降，从而对地震剪力在框架和抗震墙间的分配产生显著影响。

图四是框架在水平力作用下的侧力-位移关系曲线，当层间位移角达到1/500之前，二者基本上是线性关系，框架处于弹性变形阶段以内。图五是钢筋混凝土抗震墙的侧力-位移关系曲线，当层间位移角达到1/4000时，刚度就开始下降，当层间位移角达到1/500时，其割线刚度约等于初始弹性刚度的 30%。图六是砖抗震墙的侧力-位移关系曲线，当层间位移角达到1/500时，其割线刚度已经大约下降到初始弹性刚度的13%。

综合上述实验结果，可以认为：当层间位移角接近1/500时，框架的刚度不变，钢筋混凝土抗震墙的刚度降至30%，砖抗震墙刚度约降至20%。此后，位移加大，框架的刚度也下降，但墙的刚度也继续下降，三者之间的比例关系基本不变。这样，底层一榀纵向或横向框架所承担的水平剪力计算公式为：Vf =KfV/（∑Kf+0.3∑Kcw+0.2∑Kbw）。其中Kf为一榀框架的侧移刚度，Kcw为一榀钢筋混凝土抗震墙的侧移刚度，Kbw为一榀砖抗震墙的侧移刚度。

6 底层倾覆力矩在框架和抗震墙之间的分配

在各层的水平地震作用下，将会产生底层的倾覆力矩。在以往的工程设计中，往往将作用于底层的倾覆力矩视同水平地震剪力，按各榀构件的侧移刚度比例进行分配，使抗震墙承担过多的倾覆力矩，导致设计困难。实际上，倾覆力矩和水平剪力的性质不一样。后者产生侧移故按侧移刚度分配，前者产生转动应按底层的框架和抗震墙的转动刚度的比例进行分配。该倾覆力矩进行分配后将使底层抗震墙产生附加弯矩，使底层的框架产生附加轴力。

抗震墙布置

1．剪力墙布置原则　底框架结构中的剪力墙既是承担竖向荷载的主要构件，更是承担水平力的主要构件，在地震中起第一道防线作用，因此在设计时要考虑底部剪力墙承担100%的水平地震作用，而框架只承担小部分的地震力作为安全储备。震害观测表明，底框砖房在地震时底层将发生变形集中，会出现过大的侧移而严重破坏甚至倒塌。有鉴于此，新规范在近十几年各地试验研究的基础上，对底框架结构剪力墙的布置做出了更科学的调整。

首先抗震墙间距要满足最大横墙间距限制，6、7、8度设防区最大横墙间距分别为21m、18m、和1 5m。

其次，剪力墙应沿2个主轴方向都有布置，使之形成直角以更好地发挥抗震作用。

另外要克服矫枉过正的偏见，有些设计人员认为既然底框结构底层薄弱就多布置一点剪力墙越强越好，实际上是走向另一个极端。剪力墙的设置应与上部砌体结构相协调，抗震设计的原则是沿楼层间侧移刚度应均匀变化，而不允许各层间发生突变。

2．剪力墙使用材料

规范中规定6、7度且总层数不超过5层的底框房屋，应允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙砌体抗震墙适用于总层数少、柱距较小、平面规整的建筑，它造价低，施工方便。但无率是在使用上或抗震上，还是采用混凝土墙好。计算其在相同高度和截面尺寸下的刚底之比，先假设它们同为整体墙（开小洞口），由整体墙截面的等效抗弯刚底公式：

（EIeq=EIw/1+9ulw/Awh）

式中，E为剪力墙弹性模量；I为考虑洞口影响后的水平截面惯性矩；U为截面上剪应力不均匀系数，矩形截面取1.2；Aw为考虑洞口影响后的水平截面折算面积；H为剪力墙计算。

混凝土剪力墙与砖剪力墙的上述参数相等过样它们的刚度比就成为材料弹性模量之比。由《混凝土的结构设计规范》（GB50010-2002）表4.1.5可得，C30混凝土的弹性模量Ec=3×10Mpa.由《砌体结构设计规范》（GB50003-2002）表3.2.1-1得Mu10砖、M10砂浆砌体的抗辰强度f=1.89Mpa.所以同一位置相同几何条件的混凝土剪力墙与砖剪力墙的刚度之比i=EC/Em=3×10/3024=9.92.

经验算这一结果对于几何条件相同的小开口墙和连肢墙同样适用。因此相同条件下C30混凝土墙刚度相当于Mu10砖、M10砂浆砖墙的9.92倍，由此可见采用混凝土墙可大减少底层剪力墙的数量，经笔者总结多个底框工程实例经验，常规底框结构设计时既符合抗震，又较经济合理的混凝土剪力墙截面积大约占上层砖混结构同方向墙截面积的5%~10%，而要达到同样要求所需的砖砌体剪力墙则远远大于这个比例，所以采用混凝土墙可使底层开间布置更加灵活，可利用空间更大。由于用量少，总造价也仅比砖砌体剪力体系，使结构遇地震时延性增大，避免了出现脆性破坏的概率。新规范已经缩小了6、7度时采用砖剪力墙范围，并对底层砖剪力墙的构造做出了专门规定，因此应尽量选用混凝土剪力墙。

3．剪力墙布置方式　框剪结构剪力墙布置有8字方针，即“周边，均匀，对称，相交”。底框结构中山墙一般要布置剪力墙，因为只在每个住宅单元楼梯间两侧布置混凝土剪力墙的底框结构是不宜采用的。

相关试验表明，加大底层空旷房屋两端平面刚度，对底层框架端部竖向位移进行控制，可有效增加底层杠架的安全储备，但尽管如此布置也并不全周边，中间还需要很多剪力墙。因此底框结构8字方针可概括为“竖直，均匀，对称，相交”，所谓竖直就是在布置底层剪力墙时应尽量对应上部上下竖直、中间不间断的墙体，否则即使底层布置的剪力墙刚度再大，若竖向无对应的上部墙体，不仅传力途径不直接，且上下层刚心相距较远，地震时上部墙体与底层剪力墙间会形成很大扭矩，极易破坏。

另外，布置底层剪力墙时要避开上部墙体洞口，若具体执行时实在难以避开，（例如楼梯间入户门等），那么应采取在上部洞口两侧增加构造柱等加强措施，以更好地传递地震力。对个别剪力墙未能与上层砖墙对应者，应设法加大底层与二层转换层之间楼板的平面内刚度例如楼板加厚，配筋率增加，双向双层配筋等。所谓相交主要是指剪力墙应尽量布置成L形和T形，以使它们相互支撑，增大每片单肢墙的平面外刚度，增强抗扭性。

具体设计时剪力墙的长度、开洞等均需通过计算确定。剪力墙的计算长度确定后、应将实墙面布置在两端中间用洞口分隔，避免采用一端有剪力墙而另一端为独立柱的方式。总之混凝土剪力墙具体布置时宜开设洞口形成若干墙段，并保证各墙段高宽比不小于2.

4．剪力墙施工顺序

底框架结构中底层墙体并不全是剪力墙，也有一部分是用于分割空间的填充墙。一般当为混凝土剪力墙时，其区分非常明确，混凝土剪力墙以外的砖墙均为填充墙体，施工时混凝土剪力墙与框架柱同时浇筑，而填充墙应待混凝土与框架柱达到设计强度，甚至主体完工后再施工；但当底层剪力墙采用嵌砌于杠架柱间的砖墙时区分就不明确了，需设计人员出图说明。剪力墙和填充墙施工顺序不一致，砌体剪力墙必须与其周边混凝土框架形成整体，才能充分发挥其抗侧力作用。为保证与周边混凝土框架紧密结合，应先砌墙后浇框架柱（构造柱），砌墙时要预留马牙槎，预埋锚拉筋，且框架梁直接坐于墙顶，不需再支底模；而填充墙的施工时间则要晚得多，一般是在主体完工时砌，墙顶预留二三皮砖，待沉实后再用砖及砂浆填充。

5．剪力墙、如何正确计算

底框结构上下层侧向刚度比是有方向性的，一般只计算主轴方向的侧向刚度比。对矫形布置的规则结构，其主轴方向即为互相垂直的X和Y向，常用的底框计算软件中国建筑科学研究开发PKPM程序底框计算也只给出X向和Y向侧向刚度比，这就给两主轴不下交或L形、T形建筑的侧向刚度比难处带来一定的横墙来计算刚度比，这样从电脑的计算结果看K0和K90（0°和90°方向的刚度比）满足要求了，实际上局部单肢的K0°和K90°远远不能满足上述问题表面上是程序本身的问题但实质上是计算模型错误。

当前一些设计人员口重视上机计算而忽视基础理论的学习，电脑程序必须建立在正确的计算模型上，这是计算结果正确的技术前提。因此在输入计算机前必须认真分析结构的特性，首先建立一个模型，并仔细阅读计算机设计软件的编制原理、使用说明及技术条件与本工程相后才能正确使用计算机运算，准确辨析计算结果的正误。L形建筑正确的计算机运算，单肢计算时适当考虑另一肢的影响，这样才能防止两肢互相干扰从而得出正确的结论，至于双主轴不下交的建筑，在输机前宜先用手算。

通过以上5个问题的分析，可得出以下结论：（1）首先应满足规范对剪力墙布置中强制性条文要求，台间距；双主轴均布等（2）应尽可能采用混凝土剪力墙；（3）布置时遵循“竖直，均匀，对称，相交”的8个字方针；（4）施工时必须区分剪力墙与填充墙；（5）不规则平面布局的剪力墙电算时应根据具体问题具体分析。

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