赤峰地區底框結構構件強度下降原因研究分析

徐超 景凱宇 張寧

摘要：赤峰地區多見底框結構建筑形式，老舊的底框結構出現了結構構件強度下降，在地震等自然災害下，存在較大的安全隱患，分析赤峰市底框結構強度下降的原因，為后續分析有損傷的底框結構抗震性能分析打下堅實的基礎，本文通過對赤峰市及其各旗縣的實地調研，總結出底框結構在赤峰地區構件強度下降的原因.

關鍵詞：底框結構;構件強度;裂縫;地基沉降

中圖分類號：TU746.3? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2020）02-0072-03

0 引言

底層為混凝土框架結構、二層及以上是砌體結構，這種結構形式叫作底框結構，二層及以上由砌體構件作為豎向承重構件，水平承重構件由混凝土材料構成，所以底框結構又稱為底框磚混結構.底框結構優點為：保溫隔熱性能好、施工便捷、取材方便并且價格低廉，底部一層框架結構滿足了大空間的使用要求，所以中小城市普遍采用此種結構形式作為底層商鋪、上層住宅使用.底框磚混結構的缺點：由于此種結構由框架和砌體兩種結構形式組成，兩種結構構件承重及抗側力體系使得整體剛度不均勻，砌體自重大，框架自重輕，造成“頭重腳輕”的現象，1976年唐山地震、2008年汶川地震、2010年玉樹地震后統計分析，底框磚混結構抗震性能較差，破壞程度較大[1-3].關于底框結構抗震性能，國內外研究分析相對成熟，但是針對結構構件已經產生了強度上的破壞，在此基礎上其抗震性能研究分析始終處于低水平階段.據2019年年初赤峰市住房與城市規劃局統計，赤峰市及旗縣危房數量2200多套，其中砌體結構房屋占危房總數量的80%，所以，研究構件強度下降后對房屋整體抗震性能的影響迫在眉睫.底框磚混結構構件強度下降的一個主要原因是砌體承重構件裂縫的產生，本文對赤峰市及各旗縣代表性底框磚混結構裂縫產生的原因經過調研分析進行總結.

1 地基不均勻沉降

地基所承受的建筑結構自重較大，地基在上部荷載的作用下會產生沉降，如果是均勻沉降對建筑結構影響較小.地基土種類不同，所以每一部分的承載力也不相同，在上部荷載作用下會產生不均勻沉降，對主體結構構件產生較大影響，地基不均勻沉降會使得底框磚混結構承重墻產生裂縫，造成承重構件強度降低，進而影響整個底框磚混結構的抗震性能.常見地基不均勻沉降原因有地下水位降低造成地基不均勻沉降;相鄰建筑距離較近且后開挖的基坑比既有建筑基坑深，造成既有建筑地基產生不均勻沉降;在沒有足夠地勘報告支撐前提下，進行結構施工設計，造成地基不均勻沉降.對赤峰市敖漢旗某底框磚混結構實地調研，此結構因地基不均勻沉降產生的裂縫如圖1、圖2所示.

1.1 赤峰地區干旱，地下水位降低造成地基不均勻沉降

赤峰地區氣候干燥，加之農田灌溉使得地下水位逐年下降，地下水位下降使既有建筑物地基發生不均勻沉降，可以使主體承重構件產生裂縫，造成強度下降進而對底框磚混結構整體抗震性能以及受力性能受到不可忽視的影響，這種影響危害性極大.地下水位下降引起既有建筑物地基沉降的根本原因是地基土中孔隙水壓力和有效應力發生改變的結果，也就是說，地下水位下降引起建筑結構地基沉降的原因是變化后的地基土有效應力，在地下水位下降后，土中孔隙水壓力減小甚至孔隙水完全被排出，有效應力發生變化，土體受壓變形[4].

1.2 相鄰建筑基坑開挖過深、兩個建筑距離較近，使得地基不均勻沉降

在既有底框磚混結構房屋臨近處施工建設新的結構建筑，如果兩個建筑距離較近，在設計施工過程中并沒有考慮新建建筑對臨近既有建筑的影響，在新挖基坑中，護壁樁設置強度不足，并且基坑開挖深度大于既有建筑地下結構部分深度，在以上情況下，既有建筑的自重會對其地基土產生側向壓力，使得既有建筑地基土不穩定側移，進而產生既有底框磚混結構地基不均勻沉降.

1.3 在沒有足夠地勘報告的支撐前提下，進行結構設計施工，造成地基不均勻沉降

在建筑結構設計階段，結構設計需要地勘報告數據分析作為支撐，相關單位為節約成本，認為相鄰建筑不需要每一個結構都做地勘報告，將一個地勘報告應用于多個建筑，此種做法存在安全隱患，在一些占地面積較大的結構建筑中，不同施工場地存在地基土種類不同，如果遇到軟弱地基土層或者是淤泥土質應需要做地基加固，采用適當的加固措施保證其承載力需求，如果在同一地基上，不同位置土性質不一樣，地基在上部荷載作用下會產生受力不均勻，最終造成地基不均勻沉降.在赤峰市，此種做法在設計院中比較常見，因此不均勻沉降產生裂縫的房屋也層出不窮，其實質危害性較大，不利于抗震及承受荷載作用，并且不同地基土對地震的反應也不盡相同，每一種地基土都有其特征周期，土質的特征周期、建筑結構的自振周期以及地震的周期三者相接近會產生共振效應，對結構抗震是十分不利.

2 施工過程不規范，引起砌體結構構件開裂

2.1 砌體砌筑施工過程不規范產生裂縫

底框磚混結構中砌體構件是由塊體與砂漿組成，砌體工程施工質量受到砌筑質量、施工技術水平以及管理水平等因素制約，砌筑的過程中，水平灰縫砂漿飽滿程度、砂漿厚度、整齊程度、砌體組砌方法、塊體的含水量影響著砌體結構構件的受力性能，在復雜的應力狀態下，不同的砌筑質量會使得砌體構件產生不同的受力形式，進而造成不同類型的裂縫，不管是何種因素產生的何種裂縫都會對砌體強度產生影響.

2.2 混凝土構件施工養護不規范產生裂縫

底框磚混結構中混凝土材料組成的底部框架結構在施工過程中出現問題同樣會產生裂縫，混凝土構件強度沒有形成之前，為了施工進度而過早拆除模板會因為構件強度不足產生裂縫;養護過程中，沒有嚴格遵守施工規范進行養護，使得混凝土構件強度不足而產生裂縫;模板搭建過程中出現漲?，F象，使得構件受到復雜應力甚至產生附加彎矩作用進而產生裂縫;在施工過程中鋼筋外漏使得混凝土保護層失去作用，后期會造成鋼筋銹蝕，同樣會造成構件的強度降低.底框磚混結構本身缺點就是剛度不平衡，“頭重腳輕”現象嚴重，如果底部框架混凝土構件因為施工問題而造成強度降低，對整個結構的受力及抗震性能影響非常大.

3 結構設計不合理，或不滿足現規范要求

3.1 不按規范要求私自建造的底框磚混結構

由于考慮造價等因素，兩層及低層底框磚混房屋由于層高較低，建造人員經常忽略結構設計，出現了各種不合理受力的存在，赤峰市及各旗縣多存在不符合規范要求私自建造的底部框架磚混結構，由于忽略了專業的結構設計、粗糙的施工手法，經常會出現有損結構構件強度的因素出現，2019年赤峰市危房中百分之八十的砌體結構房屋也多因為如此而被鑒定機構鑒定為危房C、D兩個等級，這類房屋存在著嚴重的安全隱患，一旦地震及其他自然災害等偶然作用發生時會對百姓的生命財產構成威脅.

3.2 其他不符合規范要求的底框磚混結構

之前敘述在結構設計階段一個地勘報告多處建筑使用、結構設計時忽略了臨近建筑的影響，使得護壁樁設計不滿足承載力要求進而產生地基不均勻沉降等都屬于不滿足結構設計規范要求的建筑，此類建筑對底框磚混結構建筑的危害性在之前已經有所敘述，這里不再贅述.為了滿足建筑使用要求，出現了結構設計不合理的現象，例如為了追求底層大空間要求，柱子的剛度不足，使本來就弱剛度底層框架“雪上加霜”，最終造成結構抗震性能降低.

由于結構專業知識的匱乏，許多業主為了建筑使用的方便私自拆除結構承重構件，造成底框磚混結構整體強度降低的現象也是屢見不鮮的，這種行為也存在著較高的安全隱患.

3.3 建筑時間較長，不滿足現規范要求的底框磚混結構建筑

我國砌體結構設計規范經歷了《磚石結構設計規范》GBJ3-73、《砌體結構設計規范》GBJ3-88、《砌體結構設計規范》GB50003-2001、《砌體結構設計規范》GB50003-2011四個版本規范，赤峰市及其各旗縣存在著大量不同版本規范設計的底框磚混結構建筑.特別是在經歷了汶川、玉樹等大地震后，發現根據當時版本及其之前版本抗震設計規范設計的底框結構的抗震性能、抗倒塌能力較差.我國現行《建筑抗震設計規范GB50011—2010》中比以往版本（GBJll.89，1989）更加重視了結構抗倒塌性能的設計，如更加嚴格的規定了過渡砌體層與底部框架層的側移剛度比，以防止底部框架層的過早破壞甚至倒塌，但另一方面也導致了其破壞模式的改變[5].在唐山大地震之后的規范出現了圈梁、構造柱來增強底框磚混結構的剛度，是為了提高其抗震性能，但是88版規范之前的底框磚混結構建筑并沒有圈梁、構造柱，這些結構中的一些建筑為了滿足剛度要求后加了圈梁、構造柱（如圖3、圖4），后加的圈梁、構造柱不能完全發揮作用，反而在施工過程中以及受力上對原結構產生一定的破壞，造成強度降低.

4 溫度應力以及砌體材料干縮變形

4.1 溫度應力產生的裂縫

由于底框磚混結構建設在自然界中會受到陽光照射，雨雪天氣影響，勢必會產生溫度變化，因為外界溫度變化大而建筑材料內部保留著原始溫度，所以在結構構件上就會產生附加溫度應力作用.磚混結構有兩種材料組成，混凝土與砌體兩種材料熱脹冷縮性能有所差異，在約束作用下，溫度變形所產生的應力就會很大，例如：在太陽照射下，鋼筋混凝土屋面板的溫度比其下方砌體墻體的溫度高出一倍，而且混凝土的線膨脹系數是磚砌體墻線膨脹系數的二倍，因此混凝土屋面板的變形要比砌體墻的變形大的多，砌體墻對屋面板有約束作用，限制其變形，這樣對磚砌體墻會產生很大的拉應力和剪應力，磚砌體構件抗拉及抗剪性能較差，一旦溫度應力大于其抗拉、抗剪強度時，在磚砌體墻上會產生裂縫.

4.2 砌體材料干縮變形

砌體材料會隨著含水量的降低產生干縮裂縫，混凝土材料同樣會發生收縮變形，在混凝土強度形成初期，變形發展較快，隨后持續緩慢增長，遇水后膨脹同樣會產生變形，失水后又會收縮變形，所以在兩種材料復雜的變形情況影響下，勢必會產生應力作用，當砌體上的應力達到抗拉、抗剪強度時便會產生裂縫.

溫度應力及砌體材料干縮變形所產生的裂縫對整個底框磚混結構強度有嚴重的影響.

5 結語

綜上所述，底框磚混結構構件在赤峰市及其各旗縣的強度損傷具有特性，這是因為赤峰地區設計施工條件以及氣候環境因素影響，赤峰市底框磚混結構構件的強度損傷又具有底框磚混結構強度損傷的普遍性.地基不均勻沉降、施工過程不規范、結構設計不合理、溫度應力以及砌體材料干縮變形等引起的強度損傷是必須要解決的問題，如果不及時解決會產生極大的安全隱患，近些年，相關的科研人員針對上述形式強度損傷原因孜孜不倦的尋求解決辦法，也發表了一系列的文章，并將相關問題編入規范.本文分析了赤峰地區底框磚混結構構件發生強度下降的原因.掌握本質原因，從根本出發，為后期進行受損傷底框結構抗震性能分析，提供了有力的依據.

參考文獻：

〔1〕李俠.磚混結構抗震設計需要注意點問題[J].城市建設理論研究，2015（2）.

〔2〕孫柏濤，鄧宏宇.底框結構房屋抗震性能研究[J].建筑結構學報，2015，12（S2.020）.

〔3〕王成.玉樹4·14地震建筑結構震害調查與分析[J].建筑結構學報，2010（08）.

〔4〕張景斌.地下水位下降引起既有建筑物地基沉降的分析方法[J].水文地質工程地質，2015（05）.

〔5〕孔建輝.兩個不同版本規范設計的底框結構抗震性能試驗研究與分析[J].中國地震局工程力學研究所，2018（06）.