土木建筑网首页 > 陕西建筑 > 工程结构 > 浅谈多层砌体房屋结构的抗震设计

阅读 3283 次 浅谈多层砌体房屋结构的抗震设计

摘要:砌体房屋是我国传统的一种结构形式,也是我国尚处于发展中国家的水平所致、应用最广泛的一种结构形式。历次地震特别是2008年5月12日发生在汶川的8级大地震,砌体房屋倒塌和破坏的比例最高。对大量砌体房屋倒塌和破坏的震害调查分析显示,凡经过抗震设防,遵守我国《建筑抗震设计规范》中的一些标准和措施,砌体房屋也能达到抗御大地震的目的。...

浅谈多层砌体房屋结构的抗震设计

(陕西省建筑设计研究院有限责任公司  邮编 710003)

    砌体结构材料一般属脆性材料,砌筑而成的结构也是脆性结构,因此砌体结构的抗震性能是很差的,特别是在抵御侧向水平地震作用时,在变形极小的情况下就会发生开裂,进而突然倒塌。历次地震震害证明,给人民的生命安全及财产造成不可挽回的巨大损失。砌体结构这一结构形式,抗震还是有出路的。地震后总结的经验说明,凡按《建筑抗震设计规范》进行正规设计的多层砌体房屋基本经受住了设防烈度的考验。事实说明,只要精心设计、精心施工,严格遵循客观规律,应用已获得的科学成果和成功的实践经验,砌体结构房屋也能达到抗御地震的目的。用一定方式在砌体结构中配置适量的钢筋或钢筋混凝土构件,就能够大大提高砌体结构的变形能力,增强其抗震性能。

    砌体结构可以划分为无筋砌体、约束砌体和配筋砌体三类。如果按墙体的体积配筋率来大致界定:配筋率>0.2%时为配筋砌体;配筋率在0.07%~0.2%范围时为约束砌体;仅配少量构造拉结钢筋时为无筋砌体。

    本文主要为无筋多层砌体房屋结构的震害及原因分析及抗震设计对策。

一、多层砌体房屋结构的震害及原因分析

    近10年来,国内外发生多起较大地震,特别是2008512日,我国四川省汶川县发生了里氏8.0级特大地震,除极震区外,人口相对密集的绵阳市、德阳市、都江堰市等地倒塌和破坏严重的房屋以砌体结构为主。就砌体房屋而言,破坏程度也随建造年代的推移明显减轻,完好率明显增强。说明随着《抗规》的实施与不断完善,只要做到合理设计、按规范采取有效的抗震措施,精心施工,在地震区可以采用并能够达到相应的抗震设防要求。多层砌体房屋结构的震害及原因主要表现在以下几个方面。

    1、较高层数砌体结构的破坏:6层及6层以上的砌体房屋地震时震害明显加重。历次地震总结得出砌体房屋的层数和高度与地震震害成正比的结论。

    2、平、立面布置要规则:震害表明平、立面简单规则者,其震害程度要比平、立面复杂者轻的多。

    3、承重墙体的破坏:墙体高宽比接近1时,地震反复作用下产生斜向交叉裂缝;墙体高宽比更小时,墙体中间部位出现水平裂缝;有破坏严重者,丧失竖向承载能力,导致楼(屋)盖倒塌。

    4、转角处墙体破坏:由于刚度大,吸收地震力就大,且受到两个方向的地震作用,出现应力集中,导致转角墙体首先破坏。

    5、内外墙交接处破坏:由于内外墙不同时施工,未按放坡留槎,未按要求设置拉结筋或抗震设计未设置足够圈梁、构造柱等因连接不足产生的破坏。

    6、房屋端部破坏:由于端部墙体依靠较少,出现边端效应,是应力集中的一种表现形式,导致墙体破坏甚至局部倒塌。

    7、纵墙承重房屋外纵墙的破坏:由于地震时外纵墙与楼板的拉结不良,容易产生弯曲破坏而向外倒塌,楼板也随之坠落。

    8、窗间墙、窗下墙和墙垛的破坏:比较细高的窗间墙受剪弯双重作用,产生交叉裂缝或水平裂缝。

    9、楼梯间等墙体刚度变化和应力集中的部位的破坏和倒塌:由于楼梯间墙体缺少与各层楼板的侧向支撑,特别是楼梯间顶层墙体的无支承高度为一层半,在地震中的破坏比较严重。

    10、出屋面附属结构的破坏:由于鞭梢效应引起地震力的放大,若连接构造不力,地震时容易破坏。

二、多层砌体房屋结构的抗震概念设计

    1、多层砌体房屋总高度和总层数必须严格执行《抗规》第7.1.2条强制性条文。我国规定的多层砌体结构的高度和层数,已是世界之最。因此,不可以盲目再提高砌体房屋的层数和高度,否则就是对人民缺乏责任心甚至是犯罪。

    2、多层砌体房屋的层高不应超过3.6m。当使用功能确有需要时,采用约束砌体等加强措施的普通砖房屋,层高不应超过3.9m。这里的层高应为建筑层高,对底层为首层地面至上层楼面的高度;对其他层,可取上、下结构面距离。不应将层高与计算高度混淆。

    3、多层砌体房屋抗震墙的间距必须严格执行《抗规》第7.1.5条强制性条文。

    4、多层砖砌体房屋中砌体墙段局部尺寸限值宜按《抗规》第7.1.6条执行。墙段局部尺寸的限制,其目的是为了防止这些部位的墙体在地震时破坏,影响结构的整体抗震能力,从而导致房屋破坏甚至倒塌;限制女儿墙的最大高度则是为了避免女儿墙在地震时破坏,女儿墙在地震时破坏,跌落伤人,在历次地震中屡次发生。当房屋的局部尺寸不满足规范要求时,应采取局部加强措施弥补,且最小宽度不宜于1/4层高和表列数值的80%。局部加强措施采用设置构造柱时,应当注意以下问题:

    1)窗间墙的尺寸不足时,为了保证窗间墙的抗震能力,其最小尺寸不应小于800mm,构造柱沿墙长方向的截面尺寸不宜大于300mm

    2)外墙尽端至门窗洞边的尺寸不足时,其最小尺寸不应小于800mm,构造柱任一方向的截面尺寸不宜大于300mm

    3)多层砌体房屋的墙段的最小宽度不应小于层高的1/4;当内墙的局部较小墙段不大于800mm时,应采取设置构造柱等加强措施。 内墙阳角至门窗洞边的尺寸不应小于800mm,并采取设置构造柱等加强措施。

    4)墙段尺寸限值,当采取构造柱等加强措施时,可适当放宽限制。但绝不能将局部小墙垛以现浇钢筋混凝土柱来代替,避免形成混凝土墙与砌体墙组成的混合结构体系,防止不同材料性能的墙体被各个击破的情况发生。因为,砌体和混凝土在刚度、承载力和延性等方面的差别很大,其协同工作性能差。

    5、多层砌体房屋的建筑布置和结构体系,应严格按《抗规》第7.1.7条执行。合理的抗震结构体系,对于提高其整体抗震能力是非常重要的,是抗震设计应考虑的关键问题。

    1)应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系。地震震害表明,由于横墙开洞少,又有纵墙作为侧向支承,所以横墙承重的多层砌体结构具有较好的传递地震作用的能力。纵横墙共同承重的房屋既能比较直接地传递横向地震作用,也能直接或通过纵横墙的连接传递纵向地震作用。

    2)纵横墙的布置宜均匀对称,沿平面内宜对齐,沿竖向应上、下连续,同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。这样的布置,使结构受力均匀且明确,传力简捷,各墙段或墙垛之间,不容易因刚度和承载力相差悬殊,在地震发生时产生各个击破的连锁效应,从而避免较大的震害。

    为保证房屋纵向的抗震能力,《规范》规定多层砌体的纵横墙体数量不宜相差过大。同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀,墙面洞口的面积,67度时不宜大于墙面总面积的55%89度时不宜大于墙面总面积的50%;在房屋宽度的中部(约1/3宽度范围)应有内纵墙,且多道内纵墙开洞后累计长度不宜小于房屋纵向长度的60%(高宽比大于4的墙段不计入)。

    3)防震缝的设置。《抗规》规定对于多层砌体房屋有下列情况之一时宜设置防震缝:①房屋立面高差在6m以上;②房屋有错层,且楼板高差大于层高的1/4;③各部分结构刚度、质量截然不同。设置防震缝的目的在于将不规则的结构分成规则的结构单元,以减轻其震害。所设置的缝宽需满足中震情况下各单元不碰撞的要求,同时应满足伸缩缝、沉降缝和防震缝的最大值要求。

    《抗规》对平面布置不甚规则的多层砌体房屋在设置防震缝问题上有所放松,可尽量不设缝,但应对各部分之间加强连接处理。

    4)楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角处。因为房屋的尽端和转角处是应力比较集中且对扭转较为敏感的部位,地震时容易产生震害。当必须在房屋尽端和转角处设置楼梯间时,宜采取在必要部位增设构造柱、增设圈梁和加强墙体配筋等加强措施。

    5)房屋转角处不应设置转角窗,避免局部破坏严重。

    6)进一步加强楼、屋盖的整体性。楼、屋盖是房屋的重要横隔,除了保证本身刚度和整体性外,必须与墙体有足够支承长度和可靠的拉结,才能正常传递地震作用和保证房屋的整体性。《抗规》规定,横墙较少、跨度较大的房屋,宜采用现浇钢筋混凝土楼、屋盖,以加强该类房屋的楼、屋盖的整体性。

三、多层砖砌体房屋结构的抗震验算

    因砌体房屋层数不多,刚度沿高度分布一般比较均匀,并以剪切为主,因此可采用底部剪力法计算。但值得注意的是,不能将抗震承载力验算不满足要求的墙段改为现浇钢筋混凝土墙,因为这种做法使砌体房屋结构形成混凝土墙与砌体墙组成的混合结构体系,属超规范、规程设计。

四、多层砖砌体房屋结构的抗震构造措施

    1、钢筋混凝土构造柱

    1)抗震设计时,构造柱在多层砖砌体房屋中的主要作用:

    ①构造柱能提高砌体的受剪承载力,提高幅度与墙体高宽比、竖向压力和开洞情况有关,约为10%~30%

    ②构造柱主要对砌体起约束作用,使之具有较高的侧向变形能力;

    ③构造柱设置在连接构造比较薄弱和应力与变形易于集中的部位,能够提高这些部位的防倒塌能力。

    2)构造柱的设置原则应严格按《抗规》第7.3.17.3.2 -5条执行。

    3)构造柱的截面、配筋、与墙体的拉结、与圈梁的连接及基础做法应严格按《抗规》第7.3.2条执行。   

    4)梁下构造柱的设计原则:不论墙垛大小,均不能按一般构造柱要求对待。梁下构造柱承担梁传来的弯矩作用,应考虑柱在压、弯、剪联合作用下的受力状态,因此应通过设计计算对墙垛和柱的配筋作出规定,而仅按一般构造柱设置配筋是不够的。

    2、钢筋混凝土圈梁:抗震设计时,圈梁与构造柱连接在一起,形成多层砌体结构房屋的水平箍带和竖向箍带,可大大加强砌体结构房屋的整体性,提高砌体结构房屋在地震时的变形能力和防倒塌能力,是抗震的有效措施。

    1)圈梁的设置原则应严格按《抗规》第7.3.3条执行。

    2)圈梁的截面、配筋及构造要求应严格按《抗规》第7.3.4条执行。

    3、楼、屋盖的抗震构造要求,包括楼板搁置长度,楼板与圈梁、墙体的拉结,屋架(梁)与墙、柱的锚固、拉结等等,是保证楼、屋盖与墙体整体性的重要措施,应严格按《抗规》第7.3.57.3.6条执行。

    4、楼梯间:楼梯间作为地震疏散通道,而且地震时受力比较复杂,容易造成破坏。抗震设计时应严格按《抗规》第7.3.8强制性条文执行。

    5、墙体拉结钢筋的设置及做法应严格按《抗规》第7.3.27.3.7条执行。较大的房间在地震中的会加重破坏程度,需要局部加强墙体的连接构造要求,本次规范修订,将拉结筋的长度改为通长,并明确为拉结网片。

    6、基础:《抗规》规定,同一结构单元的基础宜采用同一类型的基础,底面宜埋置在同一标高上,否则应增设基础圈梁并应按1:2的台阶逐步放坡。

    7、丙类的多层砖墙体房屋,当横墙较少且总高度和总层数接近或达到《抗规》表7.1.2条规定限值时,应按《抗规》第7.3.14条采取加强措施。

五、结束语

    基于我国国情,多层砌体房屋的应用还很广泛。如何使这一传统的结构形式安全可靠地服务于人民,是结构设计工程师责无旁贷的天职。《抗规》GB50011-2010是在原《抗规》的基础上,结合对2008.5.12汶川地震的震害分析及研究,进一步加强和提高了多层砌体结构房屋的抗震要求及构造措施。对于砌体房屋的抗震设计,主要以抗震构造措施为主,《抗规》采取的各项措施主要是为了加强配筋和增强约束以改善和弥补砌体结构本身的脆性性质,从而提高这类房屋的整体性能及其薄弱部位和重要部位砌体构件的抗震能力,达到抗震的目的。《抗规》所采取的措施细致且可操作性强,设计时必须认真贯彻执行,是实现多层砌体房屋提高整体抗震能力的基本前提。

参考文献:

1、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

2、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010统一培训教材;

3、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010疑问解答(五);

4、《砌体结构设计规范》GB5003-2001

5、《建筑结构施工图设计文件审查常见问题分析》姜学诗编著;

6、《建筑震害与设计对策》全国注册结构工程师继续教育必读系梁教材(之五)。

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:文径 尹维维 编辑  刘真 审核)

关于 房屋 结构 抗震 设计 的相关文章