配筋砌體結構建筑抗震問題探析

車成威　吳增高

摘 要:由于配筋砌塊墻體的力學性能與鋼筋混凝土墻非常接近, 適用于需要抗震設防的地區, 本文將對配筋砌體結構的抗震設計進行分析探討。

關鍵詞:砌體結構;配盤砌體;抗震設計

配筋砌體是一種砌筑成型的剪力墻結構, 其配筋率也接近于現澆鋼筋砼剪力墻結構,含筋量在0.2%左右。由于配筋砌塊墻體的力學性能與鋼筋混凝土墻非常接近,適用于需要抗震設防的地區,本文將對配筋砌體的抗震性進行重點研究。

1 砌體結構的震害破壞特點

砌體結構的房屋具有造價較低,建造方便,使用靈活的特點,容易滿足大范圍內居民的使用要求,在我國地震區建有大量的砌體結構房屋。國內外的震害調查表明,砌體結構的震害大致表現為房屋倒塌、墻體開裂引起局部塌落、墻角破壞、縱橫墻連接破壞、樓梯間破壞、樓蓋與屋蓋的破壞、附屬構件的破壞等。

多層砌體房屋在水平地震作用下墻體出現交叉斜裂縫,并迅速擴展,使墻體破碎散落,造成樓板下落、房屋倒塌;另一方面由于預制樓板側向聯結弱和橫墻間距大、外縱墻承受不了出平面彎矩的作用而外閃,使最外邊的部分預制樓板外閃下落,結構喪失穩定性而倒塌,其破壞特點如下:

1.1 墻體開裂。

地震烈度6度～7度時,一般情況下,如果上下質量均勻,裂縫在底層嚴重,向上剪切;反之,則裂縫在頂層也很嚴重。通常在中震地震情況下的砌體裂縫有以下幾種形式:

“x”裂縫:凡與主震方向平行的墻體,雖承受不了地震力,但又尚未倒塌時,則常出現“x”形裂縫。

水平裂縫:這種裂縫大都在外縱墻的窗口上、下皮處發生。當房屋縱向承重,橫墻間距大而屋蓋的剛度有較弱時,垂直于縱墻方向的地震力迫使縱墻在剛度小的方向發生橫向彎曲,從而在窗口的上、下皮處產生水平裂縫。

豎向裂縫:這種裂縫大都在縱橫墻交接處出現,交接處被拉脫或成馬牙狀,有時因房屋結構體系的變化,相鄰部分的振幅不同而產生豎向裂縫。

1.2 墻體的局部倒塌。如果房屋個別部位的強度和整體性差,縱墻于橫墻間的聯系不好,平面或里面上有顯著的局部突出等,在強烈地震的作用下往往會引起局部的倒塌。此外,如果房屋的上層自重大,剛度差或上層砌體強度低,也可能發生上部倒塌的情況。

1.3 房屋全部倒塌。

在強烈地震作用下,如果底層墻體抗震強度不夠,則底層先塌,從而引起上層的倒塌,這時,倒塌后的樓板往往逐層相疊落下。當結構的整體性差而上層墻體又過于薄弱時,往往上層首先倒塌,這時由于下層受砸而發生倒塌,因而倒塌的樓板一般無一定規則。當砌體房屋的強度太差而不足以抵抗地震作用時,往往上下層同時發生散碎,徹底倒塌;這時墻體完全散裂而成為零散的塊體,完全失去承載能力。

2 配筋砌體的抗震設計

砌體結構要改變傳統概念上的脆性性質,實現現有條件下的層數和高度限制,以及使之更有效地應用于抗震設防地區,應該采用配筋砌體。配筋砌塊墻體的力學性能與鋼筋混凝土墻非常接近,因同屬一種材料,僅在構造上有所區別。如正截面承載力的計算,配筋砌體可采用與鋼筋硅完全相同的基本假定和計算模型,僅是砌塊墻中灌芯砌體的極限壓應變應有所區別。

2.1 配筋砌塊砌體墻的斜截面承載力中抗剪承載能力主要與下列因素有關:

2.1.1 配筋砌塊墻的軸壓比。

在軸壓比不大的情況下,墻體的抗剪能力和變形能力是隨著壓應力的增加而增加的;但當軸壓比達到一定數值后。這種現象將出現逆轉。根據試驗數據,需要控制配筋砌塊砌體墻中的壓應力,使之對抗剪承載力的提高不大于0.12N(N為軸向壓力〕。

2.1.2 砌塊墻的高寬比或剪跨比。

當剪跨比較小時,如λ≤1,則表現為剪切破壞;當λ≥1時,則趨于彎曲破壞。剪切破壞的墻體抗側承載力遠小于彎曲破壞的墻體抗側承載力,因此,設計時盡量避免墻體的剪切破壞。根據國內的試驗資料,一般認為λ=2.0左右作為兩種破壞形態的分界值比較適宜。

2.1.3 砌體墻中的鋼筋提高了墻體變形能力和抗剪能力。

其中水平鋼筋在通過斜截面上直接受拉抗剪,但在墻體開裂前幾乎不受力,待墻體開裂后才參與工作,直至屈服。豎向鋼筋的抗剪作用主要通過銷栓作用使鋼筋受力,但一般墻體達到極限荷載時,鋼筋也不能全部達到屈服。

2.1.4 砌塊及灌芯混凝土的強度。

配筋砌塊砌體剪力墻一般要求灌實全部或大部分孔洞。因此,砌筑砂漿對墻體的抗剪承載力影響減少,使得此種墻體的抗剪性能更接近于鋼筋砼剪力墻。

2.2 配筋砌塊砌體墻的抗震設計遵循“強剪弱彎”的原則。

按照不同的抗震等級,加強其底部剪力墻的承載能力,分別取1.2倍～1.6倍進行設計。配筋砌塊砌體墻截面組合的剪力設計值應滿足:當剪跨比大于2時,V≤1/Rre(0.2fbh);當剪跨比小于2時,V≤1/Rre(0.15fbh)。

2.3 連梁的抗震設計。

在配筋砌塊砌體墻中,連梁作為整體結構的第一道防線,即設計時應使連梁先于剪力墻破壞,從而保證墻體的安全。在對連梁設計時,應使連梁的斜截面抗剪承載能力大于正截面抗彎承載能力,實現“強剪弱彎”的原則。配筋砌塊砌體墻的連梁可以是配筋砌塊連梁,也可以是現澆鋼筋險連梁。但考慮到連梁受力較大、配筋較多時,會給砌塊砌體施工帶來困難,因此,規定跨高比大于2.5時,采用鋼筋砼連梁,而不允許采用配筋砌塊砌體連梁。

3配筋砌體的抗震措施

3.1建筑布置與結構選型。

包括合理的建筑平、立、剖面和結構布置,房屋總高度、總層數的限值,高寬比的限值等,應優先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結構體系,同時要控制橫墻的間距,其主要目的是使房屋在地震作用下各構件能均勻受力,不產生過大的內力或應力。

3.2構造措施。

3.2.1構造柱。

設置鋼筋混凝土構造柱可以明顯改善多層砌體結構房屋的抗震性能。其功能和作用主要有以下幾點:

可以提高砌體抗剪強度10%-30%,其提高幅度與墻體的高寬比、豎向壓力和開洞情況有關;對砌體起約束作用,提高其變形能力,限制墻體裂縫的發展,設置在震害較重、連接構造薄弱和易于應力集中部位的構造柱,可以加強縱橫墻體直接的連接,起到減輕震害的作用。

3.2.2 圈梁。

圈梁是多層砌體結構房屋一種經濟有效的抗震措施。其主要功能有以下幾點:

加強房屋的整體性。由于圈梁的約束作用,減小了預制板散開以及墻體出平面倒塌的危險性,使縱、橫墻能保持為一個整體的箱型結構,可充分發揮各片墻體的平面內抗剪剛度,有效抵御來自任何方向的水平地震作用。

作為樓蓋的邊緣構件,提高了樓蓋的水平剛度,同時箍住了樓(屋)蓋,增強了樓蓋的整體性,有利于結構的抗震。

可限制墻體斜裂縫的開展和延伸,使墻體裂縫僅在兩道圈梁之間的墻段內發生,使墻體的抗剪強度得以充分發揮,提高了墻體的整體性。

可減輕地震時地基不均勻沉陷對房屋的影響。構造柱與圈梁的共同作用,從某種意義上講,類似于框架結構,只不過沒有框架結構那樣強勁。構造柱與圈梁把砌體結構分片包圍起來,當砌體開裂以后,能使裂縫限制在一定范圍內,使砌體繼續維持其豎向承載力,并能繼續吸收地震能量,使其不至于倒塌。

4 總結

因為砌體結構的材料如粘土、砂和石材是天然的建筑材料,分布很廣,容易就地取材,對施工設備和施工工藝的要求均較簡單,與混凝土結構相比,可以大量地節約木材、水泥和鋼材,造價較低,所以得到廣泛應用,是目前中小城市居民住宅和其它多層建筑的主要形式。但是,砌體結構房屋抗震性能相對較差,在國內外歷次強震中破壞率很高。因此,廣泛應用配筋砌體,改善配筋砌體結構的延性,提高房屋的抗震性能具有很重要的意義。