鋼筋混凝土梁柱構架含磚墻耐震分析

姚姍姍　李焱

摘要：低層建筑物大多由鋼筋混凝土構筑形成抗彎矩構架系統，除構架的梁柱本身外，其中常以紅磚或RC構造加入隔間墻或剪力墻，影響整個梁柱構架系統的行為仍不容忽視；低層建筑的墻構造物以紅磚最為普遍，主要原因是其造價低廉、取材容易，防火、隔熱、隔音效果良好，形狀規則、容易施工。文章對鋼筋混凝土梁柱含磚墻耐震進行了分析。

關鍵詞：鋼筋混凝土；梁柱構架；磚墻耐震；低層建筑物；隔間墻；剪力墻 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU375 文章編號：1009-2374（2016）09-0110-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.053

1 建筑物含磚墻研究

在低層建筑物以紅磚構筑的磚墻除了有隔間功能外，還具備相當的強度，除可抵抗垂直載重外，亦可抵抗部分的剪力和提供韌性，對于結構耐震能力多少都有些幫助；對于建筑物含磚墻的構造尚無規則可循，唯有一些論文和研究報告顯示，磚墻的確對于結構耐震能力具有相當的影響。

1.1 含磚墻行為分析

一般來說，磚墻結構承受垂直及水平荷重時，其破壞機構大致可分成拉力分裂破壞與剪力滑動破壞兩種，而磚墻填縫的砂漿較無剛性，因此受垂直壓力時，砂漿向側向位移趨向將大于磚，唯磚與砂漿黏結成一體時，界面處磚與砂漿的變形應相同，砂漿向側向位移的趨勢受限于磚，此時砂漿受雙向壓應力，而磚則受雙向拉應力，因此產生了拉力分裂破壞。而當磚墻承受垂直與水平載重時，則于接口處將產生垂直應力與剪應力，因此將引起磚墻的剪力滑動破壞，在破壞的前磚墻的確可承受垂直及水平載重。

1.2 含磚墻鋼筋混凝土構架耐震分析

低矮樓層的鋼筋混凝土建筑物，近幾年來所發生的嚴重震害顯示其破壞模式都是弱柱強梁，在支撐柱或墻體剪裂破壞，而梁僅輕微受損，并未達到規范所要求強柱弱梁的準則，因此一些耐震評估方法探究建筑物其耐震能力，有關建筑結構初步耐震診斷方法其耐震能力初步評估中，與墻有關的評估項分別有墻量指標及磚墻造成短梁嚴重性兩項，在墻量指標中提到建筑物若具剪力墻或構架間若填滿非結構RC墻或磚墻，則可承擔一部分的地震力，則構架發生的一些不良破壞模式對耐震能力的影響就沒有那么大，另外在磚墻造成短柱嚴重性，提到短柱在地震時會引致較高的剪力，因此可能會發生較不具韌性的剪力破壞，降低建筑物的耐震能力。

另外亦有簡易耐震評估方法，采用簡單計算公式推估建筑物底層的極限強度及其相對應的韌性容量，由于一般建物倒塌與否的主要因素，大都決定于一樓支柱及墻是否能抵抗地震時產生的水平力，所以利用計算一樓極限層剪力則可略以估算建筑物的耐震能力如何，其簡化計算方法如下：

計算單柱降伏所提供的層剪力。因為柱的破壞可能為剪切破壞，也有可能是撓曲破壞，因此須先比較單柱的降伏剪力及柱兩端產生塑性鉸時對應力的剪力，來求得柱降伏時所能提供的剪力強度（VcoL），計算式可表示為：

VcoL=min（2My/Ln，Vy） （1）

式中：Ln為柱的凈高；Vy=Vc+Vs為柱剪力強度，Vc為混凝土提供剪力強度，Vs為鋼筋所提供的剪力強度；My為柱的降伏彎矩，可另依下式估算：

My=0.85Asfyd+0.5Pd[1-P/（fc′Ag）] （2）

式中：

As——柱斷面拉力鋼筋面積

fy——鋼筋降伏強度

d——考慮剪力方向柱的寬度

Ag——柱斷面總面積

fc′——混凝土軸壓強度

P——靜載重加考慮活載重所造成柱子的軸力

P=0.15fc′Ag

此公式計算時假設柱頂及柱底皆產生塑性的情形，計算單支柱所提供層剪力，并不考慮與柱連接的梁是否產生降伏情形，此為代表評估公式。

磚墻常作為建筑物隔間墻使用，因此磚墻本身所能提供層剪力Vbw即為磚墻破壞強度，其計算方法則依據許茂雄教授等所建議值進行計算。

單一RC墻破壞所提供的層剪力，由于建筑物中也常充填RC墻作為隔間墻使用，其提供層剪力為：

Vsw=0.53+ （3）

式中：

——剪力方向垂直的平面剪力鋼筋比

Acv——平行剪力方向的長度乘以墻原厚度所得混凝土斷面積

因此一樓的極限層剪力評估公式如下：

Vtot=∑Vcol+∑Vbw+∑Vsw （4）

2 磚墻的強度模擬

2.1 磚墻的劈裂強度

由磚礅與磚墻基本力學試驗研究所建議劈裂強度為：

Ft=0.13fm+0.435（ftb+fmb） （5）

式中：

fm——砂漿劈裂強度

ftb——紅磚劈裂強度

fmb——紅磚與砂漿界面劈裂強度

砂漿劈裂強度由試驗得，若無則其強度約為單軸抗壓強度的10%，紅磚劈裂強度約為紅磚單軸抗壓強度的22%，磚墻橫縫砂漿厚度介于10～15mm之間，砂漿單軸抗壓強度介于204～306kg/cm2之間，紅磚與砂漿界面劈裂強度=2.04kg/cm2。

2.2 磚墻的有效寬度

當磚墻的高寬比大于1時，磚墻可沿對角線開裂，當高寬比小于1時，在形成裂縫過程中，僅在兩邊受壓產生45°斜向裂縫，其間則由水平滑移裂縫聯系兩角隅的斜向裂縫，故真正抵抗水平外力的墻體寬度僅有斜向裂縫形成的區域，因此磚墻有效寬度所示為：

W=min（H，W） （6）

式中：

H——磚墻實際高度

W——磚墻實際寬度

2.3 磚墻的水平極限剪力

至于有邊界柱梁的磚墻耐震試驗的成果研究所提出磚墻水平極限剪力為：

3 我國規范磚墻的抗震設計

3.1 我國規范對于磚墻的規定

我國規范對于磚墻的規定如下：（1）考慮黏土磚造填充墻有抗側力作用時，磚填充墻應崁砌在框架平面內，并與梁柱緊密結合，墻厚不應小于240mm，砂漿強度不應低于M5（51kg/cm2），且宜先砌墻后再澆置RC框架系統，其他各類砌體填充墻，如混凝土小型空心磚、黏土空心磚宜與框架柱柔性連接，但墻頂應與框架梁緊密結合；（2）砌體填充墻框架應沿框架柱高每隔500mm配置2ψ6直徑拉筋，拉筋伸入填充墻內長度，一、二級框架宜沿墻全長設置，三、四級框架不應小于墻長的1/5且不應小于700mm，所謂一、二、三、四級框架為依抗震等級區分；（3）框架結構中屬于一、二級框架，當采用磚墻時平面和豎向布置宜對稱均勻。

3.2 結構含磚墻的抗震設計

結構抗震設計依抗震計算所介紹，另外于計算結構第一自振周期，采用以能量理論為基礎的半經驗公式：

式中：

Gi——第i層重力荷載代表值（kN）

ui——各水平荷載共同作用下，點i的水平位移（m）

根據經驗在框架結構系統中，一般取0.5～0.6，對于不超過5層的二級框架結構和不超過8層的三級框架結構及四級框架結構，若使用實心磚（黏土磚）砌體為填充墻時，為了能更準確地反映磚墻在抗震中的作用，則取1進行計算。

4 結構含磚墻周期的計算

為了探討磚墻在鋼筋混凝土構架中，于計算結構周期究竟有何影響及對于建筑物含磚墻以后所計算地震力的差異性。

4.1 簡例一：三層樓鋼筋混凝土構架

本例為一、三層樓鋼筋混凝土梁柱的構架，每層樓高為3.4m，建筑物高為10.4m，寬為8m，長24m。一層樓重為2450kN，二、三層樓各重1960kN，結構梁斷面為40cm×60cm，柱斷面為60cm×60cm，計算結構周期如下：（1）我國規范計算周期（不考慮磚墻影響），以能量理論為基礎的半理論半經驗公式計算，由樓層結構的梁、柱斷面，分別計算其線剛度，再由梁、柱的線剛度，依照其邊柱、中柱、一般層、首層等不同的區別，分別計算結點轉角的影響a，推求該層側移剛度，再由所求得側移剛度推求得層間相對位移，取0.55，則可得結構的第一自振周期T1=0.153秒；（2）我國規范計算周期（考慮磚墻影響），仍同上計算步驟并增加磚墻側移剛度計算，而磚墻開口情形所示，計算磚墻側移剛度參數，因此由公式可得磚墻側移剛度。將磚墻側移剛度并同梁、柱側移剛度計算樓層側移，再將其代入公式，此時參數ψ，依規范規定取1計算，則可得結構的第一自振周期T1=0.192秒。

4.2 簡例二：六層樓鋼筋混凝土構架

（1）我國規范計算周期（不考慮磚墻影響），以能量理論為基礎的半理論半經驗公式計算，推求各層樓側移剛度，再由所求得側移剛度推求得層間相對位移，取0.55，則可得結構的第一自振周期T1=0.298秒；（2）我國規范計算周期（考慮磚墻影響）計算磚墻側移剛度所示，將磚墻側移剛度并同梁、柱側移剛度計算樓層側移，再將其代入公式，此時參數ψ，依規范規定取1計算，則可得結構的第一自振周期T1=0.369秒。

由此可以看出，磚墻對于結構的影響可由周期看出其變化，很明顯的，一旦建筑物考慮磚墻的影響，雖增加該層樓側移剛度，減少樓層側移量，唯因規范規定，參數由原來不考慮情況下取0.55，到考慮磚墻的影響取1的情形下，周期就會因該參數影響下而提高，這在低層建筑物尚未見其影響性，但在中層建筑物對周期影響情形將因周期的提高，使得設計地震力減少。

5 結語

多層砌體房屋指的是由各種砌體砌筑而成的墻與裝配，砌體包括燒結黏土磚、粉煤灰硅酸鹽實心中型砌塊、混凝空心中型砌塊及小型砌塊，此種砌體房屋可以其橫墻承重、縱墻承重或是縱橫混合承重。但是如果從抗震角度來考慮砌體的結構，由于其材料為脆性，因此砌體本身的抗拉、抗剪、抗彎強度都很低，而且因其自重較大，故地震時因地震作用力也會比較大，所以砌體的房屋抗震能力比較差，也因此特別規范砌體房屋的抗震能力。

參考文獻

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[3] 劉桂秋.砌體及砌體材料彈性模量取值的研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2008，（4）.

（責任編輯：小 燕）