多層砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

馮 琦

(大同市房地產(chǎn)開發(fā)公司，山西大同 037006)

0 引言

砌體是由多種材料的塊體砌筑而成的，是一種古老的結(jié)構(gòu)形式，其中磚石是用的最多的砌體材料，幾千年來因其良好的物理力學(xué)性能，易于取材、生產(chǎn)和施工，造價(jià)低廉，至今仍成為我國主導(dǎo)的建筑材料。但是我國的砌體材料相對(duì)于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等來說普遍存在著自重大、強(qiáng)度低、生產(chǎn)能耗高、毀田嚴(yán)重、施工機(jī)械化水平較低等弊病。隨著我國著手進(jìn)行建筑節(jié)能材料的開發(fā)應(yīng)用，推廣節(jié)能、節(jié)地、利廢、保溫、輕質(zhì)、高強(qiáng)的新型墻體材料的應(yīng)用，已逐步替代實(shí)心黏土磚。新材料既保留了傳統(tǒng)磚結(jié)構(gòu)取材廣泛、施工方便、造價(jià)低廉的特點(diǎn)，又具有節(jié)約土地、節(jié)省能源、利于環(huán)保、自重輕等優(yōu)勢，使得砌體結(jié)構(gòu)在我國結(jié)構(gòu)體系中占有重要的一席。

地震，是地球內(nèi)部發(fā)生的急劇破裂，地殼快速釋放能量過程中在一定范圍內(nèi)引起地面震動(dòng)的現(xiàn)象，是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的自然災(zāi)害，給人類的生命和財(cái)產(chǎn)帶來了巨大的損失。為了減輕地震給人類帶來的危害，抗震設(shè)計(jì)思想便應(yīng)運(yùn)而生，并且不斷發(fā)展。目前我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提出了抗震設(shè)防的三個(gè)水準(zhǔn)，并采用兩階段設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防要求，第一階段設(shè)計(jì)是指抗小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力以及在小震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性變形以滿足第一水準(zhǔn)的要求。第二階段設(shè)計(jì)是指在大震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈塑性變形以滿足第三水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求。至于第二水準(zhǔn)抗震設(shè)防目標(biāo)的要求是以抗震構(gòu)造措施來加以保證的。要切實(shí)做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”，具體有以下要求。

1 選取合理的建筑結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)體系

研究表明，簡單對(duì)稱的建筑物在地震時(shí)最不容易遭到破壞，抗震結(jié)構(gòu)體系要求受力明確，傳力合理，傳力路線簡單(一般為磚墻恒荷載傳給梁，梁傳給柱)，結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的實(shí)際情況相接近。而且地震時(shí)作用方向的不確定性和結(jié)構(gòu)對(duì)地震反應(yīng)的復(fù)雜性，要求結(jié)構(gòu)盡量符合“簡單”的要求。無論在建筑平面上或立面上，應(yīng)力求使質(zhì)量、剛度、延性等均勻、對(duì)稱分布，避免剛度突然變化或開設(shè)過大的洞口。當(dāng)房屋的立面高差在6 m以上有較大錯(cuò)層，各部分剛度或質(zhì)量截然不同時(shí)宜設(shè)防震縫。

2 采用橫墻承重或設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱的結(jié)構(gòu)體系

在砌體結(jié)構(gòu)中，磚墻是主要的承重構(gòu)件，不但承受垂直向的重力，也承受水平和豎直方向的地震作用力。在地震時(shí)，與地震方向平行的墻體是主要承受地震作用的抗側(cè)力構(gòu)件。資料顯示，承重橫墻的破壞形式主要為剪切破壞，且底層比上層嚴(yán)重。而縱墻的破壞是因?yàn)闄M墻間距過大或樓蓋剛度較小，而在窗口或洞口截面處出現(xiàn)裂縫，因此要限制橫墻的最大間距。而砌體又屬于脆性材料，在地震時(shí)墻體的應(yīng)力集中處容易產(chǎn)生裂縫，裂縫隨著地震的發(fā)生不斷擴(kuò)大、發(fā)展，最終導(dǎo)致墻體失去承重作用。而當(dāng)在此部位設(shè)置了鋼筋混凝土構(gòu)造柱或圈梁后，原本開裂的墻體能承受較大的地震能量，不易破壞倒塌。同時(shí)構(gòu)造柱和圈梁要選用合理的尺寸，配置合理的鋼筋，避免出現(xiàn)超筋破壞和少筋破壞。

3 控制砌體結(jié)構(gòu)的房屋總高度

根據(jù)《抗震規(guī)范》第7．1．2條規(guī)定:多層砌體房屋的總高度是指室外地面到主要屋面板頂或檐口的高度，半地下室從地下室地面算起，全地下室和嵌固條件較好的半地下室允許從室外地面算起;對(duì)帶閣樓的坡屋面應(yīng)算到山尖墻的1/2高度處。砌體結(jié)構(gòu)中樓蓋重量占到房屋總重量的35%～50%，房屋高度越高，整體質(zhì)量越大;在房屋總高度相同下，多一層樓板就意味著增加半層樓的地震作用。地震研究證明，砌體結(jié)構(gòu)總高度越高，其受震害和破壞的程度也就越大。《抗震規(guī)范》規(guī)定了我國在不同砌體材料、不同抗震烈度下的總高度和層數(shù)限值。橫墻較少的多層砌體房屋，總高度應(yīng)比規(guī)定降低3 m，層數(shù)相應(yīng)減少1層;各層橫墻很少的多層砌體房屋，還應(yīng)再降低一層。另外《抗震規(guī)范》7．1．3規(guī)定:多層砌體承重房屋的層高，不應(yīng)超過3．6 m。當(dāng)使用功能確定有需要時(shí)，采用約束砌體等加強(qiáng)措施的普通磚房屋，層高不應(yīng)超過3．9 m。

4 控制結(jié)構(gòu)的最大高寬比

限制最大高寬比就是為了防止在地震傾覆力矩的作用下，墻體水平截面產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力超過氣體的抗拉強(qiáng)度而開裂。對(duì)此《抗震規(guī)范》7．1．4做了規(guī)定，6度，7度區(qū)的最大高寬比為2．5，8度區(qū)為2．0，9度區(qū)為1．5。也就是說，只要最大高寬比不滿足上述規(guī)定，對(duì)于多層砌體房屋就可不另作整體彎曲驗(yàn)算。但是需要注意的是像教學(xué)樓、醫(yī)院等單面走廊或挑廊式房屋，其高寬比的總寬度不能包括走廊寬度。而且當(dāng)建筑平面接近正方形時(shí)，其高寬比宜適當(dāng)減小。

5 限制局部尺寸和加強(qiáng)構(gòu)件間的連接

地震時(shí)，房屋首先從薄弱部位開始出現(xiàn)裂縫，隨著裂縫的慢慢發(fā)展，引起整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞甚至倒塌。這些薄弱部位主要是指窗間墻、墻端到門窗洞口間的墻體、無錨固的女兒墻等。當(dāng)局部尺寸不足時(shí)，應(yīng)采用局部加強(qiáng)措施彌補(bǔ)，且最小寬度不宜小于1/4層高。加強(qiáng)構(gòu)件間連接的目的主要為加強(qiáng)砌體房屋的整體性，增強(qiáng)房屋構(gòu)件各部分之間的連接，它包括縱橫墻交接處、隔墻與承重墻的連接、樓蓋與墻體以及屋架、陽臺(tái)、過梁的擱置長度六個(gè)方面。

6 合理的構(gòu)造措施

建筑物墻角的破壞也是很常見的，主要是因?yàn)閼?yīng)力集中和地震的扭轉(zhuǎn)作用的共同作用下造成的。

6．1 合理設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱

構(gòu)造柱除了能約束墻體的變形，提高砌體的抗剪強(qiáng)度外，還能增強(qiáng)墻體之間的連接，這些對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震都是有利的。在配筋墻體兩端設(shè)置構(gòu)造柱，由于水平鋼筋錨固于柱中，從而使鋼筋的作用發(fā)揮得更好，則比無構(gòu)造柱同樣配筋率的墻體的承載能力提高13%左右。構(gòu)造柱的設(shè)置應(yīng)滿足下列要求:

1)構(gòu)造柱最小截面可采用180 mm×240 mm，縱向鋼筋宜采用4Φ12，箍筋間距不宜大于250 mm，且在柱上下端應(yīng)適當(dāng)加密。

2)構(gòu)造柱與墻連接處應(yīng)砌成馬牙槎，沿墻高每隔500 mm設(shè)2Φ6水平鋼筋和Φ4分布短鋼筋平面內(nèi)點(diǎn)焊組成的拉結(jié)網(wǎng)片或Φ4點(diǎn)焊鋼筋網(wǎng)片，每邊伸入墻內(nèi)不宜小于1 m。

3)構(gòu)造柱可不單獨(dú)設(shè)基礎(chǔ)，但應(yīng)深入室外地面下500 mm，或與埋深小于500 mm的基礎(chǔ)圈梁相連。

4)構(gòu)造柱與圈梁連接處，構(gòu)造柱的縱筋應(yīng)從圈梁縱筋內(nèi)側(cè)穿過，保證構(gòu)造柱縱筋上下貫通。

6．2 設(shè)置鋼筋混凝土圈梁

由于砌體結(jié)構(gòu)房屋整體性較差，為增強(qiáng)房屋的整體剛度，防止因地基的不均勻沉降或較大振動(dòng)荷載等對(duì)房屋引起的不利影響，可以根據(jù)實(shí)際情況在墻中沿水平方向設(shè)置封閉的現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁，即圈梁。對(duì)于裝配式鋼筋混凝土樓、屋蓋或木屋蓋的磚房，應(yīng)根據(jù)不同的烈度按規(guī)范要求設(shè)置圈梁;縱墻承重時(shí)，抗震橫墻上的圈梁間距應(yīng)適當(dāng)加密。而現(xiàn)澆或裝配整體式鋼筋混凝土樓、屋蓋與墻體又可靠連接的房屋，允許不另設(shè)圈梁，但樓板沿抗震墻體周邊應(yīng)加強(qiáng)配筋并與相應(yīng)的構(gòu)造柱鋼筋可靠連接。同時(shí)圈梁應(yīng)連續(xù)設(shè)在同一水平面，并且閉合;當(dāng)圈梁被門窗洞口截?cái)鄷r(shí)，應(yīng)在此部位加設(shè)相同截面的附加圈梁;縱橫墻交界處的圈梁應(yīng)與縱橫墻可靠搭接;圈梁的截面高度不應(yīng)小于120 mm，配筋按不同烈度有不同要求，當(dāng)需增設(shè)基礎(chǔ)圈梁時(shí)，截面高度不應(yīng)小于180 mm，配筋不應(yīng)少于4Φ12。當(dāng)圈梁兼作過梁時(shí)，過梁部分的鋼筋應(yīng)按計(jì)算用量另行增配。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］GB 50003-2001，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［3］施楚賢．砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計(jì)［M］．北京:中國建工出版社，1992．