砌體結構設計中的幾個問題

王 正

汶川地震實例表明,砌體結構在開間較小,構造柱按構造與計算要求設置并同圈梁形成混凝土約束邊框的情況下,比框架體系具備更多的超靜定次數,而由于各種原因框架結構在設計時并未實現強柱弱梁的目標。實例表明,大量塑性鉸出現在柱端,砌體結構因而也就在大震時具備了比框架結構更強的抗震能力,現通過若干問題分析砌體結構的利弊。

1 平面

若平面不規則,墻體不連貫形成連續的抗側力體系,在計算中就會發現部分墻體抗力效應比遠小于1。計算所需配筋超過墻體最大配筋率要求,只能依靠增加構造柱或抗力效應比較小的墻體混凝土剪力墻,才能保證通過,如圖1,圖 2所示。圖1中結構平面較為規則,圖2平面是 L形且很不規則,所以圖2墻體中40%左右墻體抗力效應比較小,以致于不得不將部分墻體上洞口減小或移動洞口位置,才使得最終結構抗震計算通過。圖1中雖平面較為規則,但樓梯間凸出、外墻不連貫且開有較大洞口,部分端部墻體仍需配筋,而樓梯間凸出,凸出部分墻體在地震中位移勢必增大,極易造成破壞,但建筑方案不得改動,最后將整個凸出部分配筋,同時增大了構造柱筋及圈梁尺寸與配筋(構造柱主筋再加大為 4二級鋼14,箍筋變為一級鋼 8@100。圈梁截面430 mm,箍筋變為一級鋼8@100),以期在大震中即便是墻體開裂,而在圈梁構造柱的約束下也不致于全面垮塌,從而保證了人員的安全撤出,若要實現這一目標,構造柱圈梁就不能提前破壞。

以上就是由于平面不規則而引起的一系列問題,實際上,開發商應注意到如果平面規則,可以節省很大一筆投資。筆者曾遇到一個工程,邊單元全部是大開間臥室、客廳、開有角窗,結果導致抗震驗算無法通過。后經與開發商協商,做成假角窗,即山墻無翼墻。即便如此,山墻厚度達到500 mm厚,且墻體配置水平五道三級鋼4鋼筋,這種做法非常不經濟。而磚混結構能夠存活至今,依靠的是其造價低廉和施工簡便,若是單純追求外立面效果、房屋大開間的話,筆者認為結構形式不宜采用砌體結構。

2 基礎

汶川地震中部分民房就采用了柔性條形基礎,由于基礎的整體性不強,使得基礎提前破壞,從而導致了墻體通長裂縫的出現,使得整個建筑物徹底損毀。因此可以推論砌體結構不適于采用柔性基礎,而我們以現今的經濟力量來看,完全可以采用筏板基礎或剛性條基。在實際中,如果采用了筏板基礎,建筑物沉降差就會減小,從而極大的避免了由于不均勻沉降而產生的墻體裂縫。在震中地區,豎向地震作用巨大,有資料表明,汶川地震中豎向地震加速度已大于1.0g,在此種情況下,柔性條基勢必破壞,而剛性基礎因其整體性良好,抗震能力強,可保證大震情況下基礎不被首先破壞,從而保證了上部結構不會因基礎的破壞而失去承載力導致垮塌。若基礎剛性愈強,其抗震能力勢必愈強。因此,砌體結構由于材料自身原因,上部剛度不強,為保證其在大震下不倒塌,宜采用筏板基礎,而一些地基自身剛度較強的地段如基巖,筆者認為可采用剛性條基。

3 構造柱及墻體加筋

構造柱除應按規范要求,在外墻四角、樓(電)梯間四角,較大洞口兩側、大房間內外墻交接處、較大洞口兩側,所有縱橫墻交接處設置以外,在8度區的磚混結構計算時,許多墻中部都應按計算要求增加構造柱,尤其是端部短墻,如圖1中方框處短墻,若不增加墻中部構造柱,墻體抗力效應比只能達到0.71,抗震驗算根本無法通過。但應注意到,如適當增加構造柱數量將有利于改善墻體抗力效應比,但當中部構造柱增加到一定程度時,不僅對抗力效應比提高沒有幫助,反而會因為墻體截面面積減小而降低其抗震承載力,而某些部位的構造柱應整體加強,如圖1中樓梯面凸出部位,外墻角部,這些在地震作用中效應較大的部位,加強措施可采用加大箍筋,提高混凝土標號,同時應增大豎向鋼筋規格。計算中若增加構造柱仍無法使抗力效應大于1,則只能采取墻體加筋的方法,但設計時應注意很多問題。如電算結果僅提供配筋值,并未考慮最大最小配筋率,另外規范要求,水平灰縫厚度不得大于12 mm,而鋼筋上下至少應保證2 mm厚砂漿,因此水平筋根部筋直徑之和不得大于8 mm。一般情況下,水平筋可取4 mm(240墻三排、370墻四排),分布筋3 mm。但是筆者認為,設計中應盡量少采用或不采用水平配筋,而應靠盡可能調整方案、洞口大小位置來提高抗力效應比,因為在施工過程中,鋼筋上下各2 mm砂漿就很難保證,而且加筋后灰縫厚度經常超過規范值,不得不返工重做,從而加大了經濟成本,產生耗時耗力的效果。

4 結語

磚混結構優點在于施工簡便、造價低廉,在實際應用中,如采用剛性基礎、平面規則、開窗洞口位置合理的情況下,如按造價及計算要求設置構造柱、增加圈梁,這種結構仍然有著良好的抗震功能,尤其是在華北大部分地區及西部少部分地區,粉煤灰有大量儲備,在技術支持下,粉煤灰蒸壓砌塊的各項指標已全面超過粘土磚,磚混結構有很強的生存空間。因此,筆者認為磚混結構只適用于經濟適用房、廉租房等工程建設,而不適用于房屋開間較大的學校、醫院等公共建筑或豪華住宅。

[1] 鄭 娟.探討砌體結構的抗震概念設計[J].山西建筑,2009,35(33):80-81.