淺談多層砌體結構房屋的抗震

其米旺姆

[摘 要]去年在四川發生的汶川8級地震造成了巨大的人員傷亡和財產損失。使得人們對日常生活和居住的建筑的安全性有了更高的關注。據統計,砌體結構在整個建筑工程中,占80%以上。由于砌體結構材料的脆性性質,其抗剪、抗拉和抗彎強度很低,所以砌體房屋的抗震能力較差。在國內外歷次強烈地震中,砌體結構破壞率是相當高的。如何提高砌體結構房屋的抗震能力,將是建筑抗震設計中一個重要課題。

[關鍵詞]砌體結構;抗震設計;震害

砌體房屋是指用普通黏土磚、承重黏土空心磚、混凝土中小型砌塊、粉煤灰中小型砌塊和毛石等塊材,通過砂漿砌筑而成的房屋。砌體結構在我國建筑工程中,特別是在住宅、辦公樓、學校、醫院、商店等建筑中,獲得了廣泛的應用。據統計,砌體結構在整個建筑工程中,占80%以上。由于砌體結構材料的脆性性質,其抗剪、抗拉和抗彎強度很低,所以砌體房屋的抗震能力較差。在國內外歷次強烈地震中,砌體結構破壞率是相當高的。1923年日本關東大地震,東京約有7 000幢磚石房屋,大部分遭到嚴重破壞,其中僅有1 000余幢平房可修復使用。又如,1948年蘇聯阿什哈巴地震,磚石房屋破壞率達70%～80%。我國近年來發生的一些破壞性地震,特別是1976年的唐山大地震,磚石結構的破壞率也是相當高的。據對唐山烈度為10度及11度區123幢2～8層的磚石結構房屋的調查,倒塌率為63.2%;嚴重破壞的為23.6%,尚可修復使用的為4.2%,實際破壞率,高達91%。另外根據調查,該次唐山地震9度區的漢沽和寧河,住宅的破壞率分別為93.8%和83.5%;8度區的天津市區及塘沽區,僅市房管局管理的住宅中,受到不同程度損壞占62.5%;6～7度區的北京,磚混結構也遭到不同程度的損壞。另去年在我國四川汶川發生的歷史罕見的大地震,震級達到里氏8級,最大烈度達到11度。據報道,受災特別嚴重的北川縣老縣城的80%、新縣城60%以上建筑垮塌,北川縣城基本已經被夷為平地。在此次地震災區完全垮塌的房屋中,砌體結構占了絕大多數。

從我國國情出發,在今后一定時間,砌體結構仍然將是城鄉建筑中的主要結構形式之一。因此,如何提高砌體結構房屋的抗震能力,將是建筑抗震設計中一個重要課題。

一、震害及其分析

人們常說,地震來襲時地動山搖,房屋隨之倒塌。確實,由于建筑物依附在地球表面,建筑物受地震破壞的方式主要受地震波的傳播方式影響。地震波傳播方式有縱波、橫波、面波。

縱波使建筑物上下顛簸,力量非常大,建筑物來不及跟著運動,使底層柱子和墻突然增加很大的動荷載,疊加建筑物上部的自重壓力,若超出底層柱、墻的承載能力,柱、墻就會垮掉。底層垮掉后,上面幾層建筑的重量就像錘子砸下來一樣,又使第二層壓壞,發生連續倒塌,整個建筑直接“坐”下來,原來的第三層瞬間變為“第一層”。

橫波使建筑物水平搖擺,相當于對建筑物沿水平方向施加了一個來回反復的作用力,若底部柱、墻的強度或變形能力不夠,就會使整棟建筑物向同一方向歪斜或傾倒,在震區常常看到這種現象。

面波使建筑物扭轉。引起扭轉的原因是有的地震波本身就是打著“旋兒”過來的,也有的情況是因為面波到達建筑物兩端早晚的時間差引起的。這種情況引起建筑物扭動。建筑物一般抗扭能力較差,很容易扭壞。震區有的房子角部坍塌,多屬這種情況。

一旦碰到上下顛、左右搖、扭轉,三種方式共同發生,破壞力就更加可怕。在離震中較近的范圍,往往三種方式交織作用,所以破壞力很大。此外,每個建筑物都有自己特定的自振頻率,如果這個頻率與地震作用的頻率接近,還會引起類似共振的效應,那樣帶來的破壞力就更可怕了。

在強烈地震作用下,多層砌體房屋的破壞部位,主要是墻身和構件的連接處,樓蓋、屋蓋結構本身的破壞較少。下面根據歷次地震的宏觀調查結果,對多層房屋的破壞規律及其原因作一簡要說明。

1.墻體的破壞。在砌體房屋中,與水平地震作用方向平行的墻體是主要承擔地震作用的構建。這類墻體往往因為主拉應力強度不足而引起斜裂縫破壞。由于水平地震反復作用,兩個方向的斜裂縫組成交叉型裂縫。這種裂縫在多層砌體房屋中一般規律是下重上輕。這是因為多層房屋墻體下部地震剪力大的緣故。

2.墻體轉角處的破壞。由于墻角位于房屋近端,房屋對它的約束作用減弱,使該處抗震能力相對降低,因此較易破壞。此外,在地震過程中當房屋發生扭轉時,墻角處位移反應較房屋其它部位大,這也是造成墻角破壞的原因。

3.樓梯間墻角的破壞。樓梯間除頂層外,一般層墻體計算高度較房屋其他部位墻體小,其剛度較大,因而該處分配的地震剪力大,故容易造成震害。而頂層墻體的計算高度又較其他部位大,其穩定性差,所以也易發生破壞。

4.內外墻連接處的破壞。內外墻連接處是房屋的薄弱部位,特別是有些建筑內外墻分別砌筑,以直槎或馬牙槎連接,這些部位在地震中極易拉開。造成外縱墻和山墻外閃、倒塌等現象。

5.樓蓋預制板的破壞。由于預制板整體性差,擋板的搭接長度不足或無可靠拉結時,在強烈地震過程中極易塌落,并常造成墻體倒塌。

6.突出屋面的屋頂間等附屬結構的破壞。 在房屋中,突出屋面的屋頂間(電梯機房、水箱間等)、煙囪、女兒墻等附屬結構,由于地震“鞭端效應”的影響,所以一般較下部主體結構破壞嚴重,幾乎在6度區就發現有所破壞。特別是較高的女兒墻、出屋面的煙囪,在7度區普遍破壞,8～9度區幾乎全部損壞或倒塌。

二、抗震設計

砌體結構就其材料性能而言,確實有它的劣勢,但是多層房屋并非砌體結構就不能抗震。在此次地震災區完全垮塌的房屋中,砌體結構占了絕大多數,但是未倒塌且在地震作用下表現優秀的砌體結構房屋也不在少數,如在去年的汶川大地震中北川縣城、漢旺鎮內不少五、六層的砌體結構房屋并未坍塌,有些表現良好,只是不同程度地出現了一些裂縫。如北川縣城內一棟60年代修建的老建設局辦公樓,共4層,震后墻面竟未發現裂縫;漢旺鎮近幾年修建的一個6層樓家屬住宅區,震后無一棟出現嚴重破壞。這是因為,凡是嚴格按照我國現行“抗震設計規范”設計、砌體結構設計規范、施工保證質量的砌體結構房屋,就能經受住本次罕遇地震的考驗。因此筆者認為,在多層磚混房屋抗震設計上應注重以下幾方面。

1.砌體房屋的層數及高度的限制。歷次震害證明,砌體房屋的層數越多,高度越高,它的地震破壞程度(下轉93頁)(上接91頁)越大,所以控制磚砌體房屋的總高度及總層數對減少地震時帶來的震害有很大的作用?，F行建筑抗震設計規范(GB50011—2001)對多層砌體房屋的總高度和總層數有了強制性規定,在設計中房屋總高度及總層數應滿足上標的限值,因為樓蓋重量占房屋總重的一半左右,房屋總高度相同,多一層樓蓋就意味著增加半層樓的側向地震作用,同時加大對底部的傾覆力矩。在中、強地震作用下,因傾覆力矩過大,使得底部墻體產生過大的壓力或剪刀而被破壞,故此減輕自重、減少層數、降低層高是削弱地震影響的有效途徑之一。

2.砌體房屋的的體形限制。體形規則、均勻、對稱的房子抗震能力強。上大下小頭重腳輕的房屋體形叫豎向不規則,平面局部凸出的L形、“丁”字形體形叫平面不規則,一頭沉一頭輕的叫扭轉不規則,不規則建筑抗震能力都較差。

3.增強砌體結構的整體性及剛度。在地震中多層砌體結構的縱、橫向地震作用主要由相應墻體承擔。因此,縱、橫墻的合理布置且控制橫墻的間距,可控制縱、橫墻的側向變形,增強了空間剛度和整體性,對承受縱、橫兩個方向的水平地震作用及抗彎、抗剪都非常有利。墻體布置時,應盡量采用縱墻貫通的平面布置,而當縱墻不能貫通布置時,則應在墻體交接處采取加強措施。而橫墻最大間距就是為了滿足樓蓋對傳遞水平地震所需的剛度要求。其中,在8度設防時,現澆或裝配整體鋼筋混凝土樓蓋板的多層砌體建筑的橫墻最大間距為15米。如橫墻間距過大時,縱墻會因過大的層間變形而產生平面的彎曲破壞。有效增強砌體結構的整體性及剛度的措施有縱、橫墻的合理布置,建筑的樓蓋為現澆,增加墻體面積及提高砂漿的強度,設置圈梁及構造柱等。

在多層砌體建筑中設置水平圈梁,可加強內外墻的連接,增強建筑的整體性。特別是屋蓋和基礎頂兩處的圈梁的設置具有提高建筑的豎向剛度和抗御不均勻的沉降能力。由于圈梁的約束作用使樓蓋與縱、橫墻構成箱形結構,能有效地約束裝配板材的散落,使磚墻發生平面倒塌可能性大為降低,以充分發揮各片墻體的抗震能力。還有,為了提高墻體的抗震能力,可在抗震力不夠的承重墻段內配置水平鋼筋,使地震力由砌體及水平鋼筋共同承擔。一些試驗表明,配筋多孔磚墻體可以有效地提高墻段的抗震性能,減少脆性,增加延性,增強磚混房屋的抗震性能。

4.房子的建筑材料和施工質量。對建筑物的防震抗震,我國在相應的法律法規中都有著明確的規定。但是,在具體執行上,建筑物的防震抗震很難全部落實到位。不少建筑設計、施工部門缺乏防震意識,一些建筑物等工程建設項目不按防震抗災標準設計建設,甚至存在著降低抗震設計標準的現象,施工中也缺乏質量監督。這是很多建筑物在地震面前不堪一擊的最主要原因。因此,混凝土標號夠不夠,鋼筋是否合格,有沒有偷工減料等,是否照圖施工、技術是否到位等,規劃、設計、施工、監理四大環節都很重要,都要嚴格把關,這一切符合要求了,房屋質量就會好。

多層砌體結構房屋可以通過建筑上的合理布局,結構上的構造措施等多種方法來彌補砌體房屋脆性材料在抗震方面的不足,從而滿足抗震要求,達到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設防目標。

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(編輯/劉佳)