配筋砌体结构建筑抗震问题探析

车成威　吴增高

摘 要:由于配筋砌块墙体的力学性能与钢筋混凝土墙非常接近, 适用于需要抗震设防的地区, 本文将对配筋砌体结构的抗震设计进行分析探讨。

关键词:砌体结构;配盘砌体;抗震设计

配筋砌体是一种砌筑成型的剪力墙结构, 其配筋率也接近于现浇钢筋砼剪力墙结构,含筋量在0.2%左右。由于配筋砌块墙体的力学性能与钢筋混凝土墙非常接近,适用于需要抗震设防的地区,本文将对配筋砌体的抗震性进行重点研究。

1 砌体结构的震害破坏特点

砌体结构的房屋具有造价较低,建造方便,使用灵活的特点,容易满足大范围内居民的使用要求,在我国地震区建有大量的砌体结构房屋。国内外的震害调查表明,砌体结构的震害大致表现为房屋倒塌、墙体开裂引起局部塌落、墙角破坏、纵横墙连接破坏、楼梯间破坏、楼盖与屋盖的破坏、附属构件的破坏等。

多层砌体房屋在水平地震作用下墙体出现交叉斜裂缝,并迅速扩展,使墙体破碎散落,造成楼板下落、房屋倒塌;另一方面由于预制楼板侧向联结弱和横墙间距大、外纵墙承受不了出平面弯矩的作用而外闪,使最外边的部分预制楼板外闪下落,结构丧失稳定性而倒塌,其破坏特点如下:

1.1 墙体开裂。

地震烈度6度～7度时,一般情况下,如果上下质量均匀,裂缝在底层严重,向上剪切;反之,则裂缝在顶层也很严重。通常在中震地震情况下的砌体裂缝有以下几种形式:

“x”裂缝:凡与主震方向平行的墙体,虽承受不了地震力,但又尚未倒塌时,则常出现“x”形裂缝。

水平裂缝:这种裂缝大都在外纵墙的窗口上、下皮处发生。当房屋纵向承重,横墙间距大而屋盖的刚度有较弱时,垂直于纵墙方向的地震力迫使纵墙在刚度小的方向发生横向弯曲,从而在窗口的上、下皮处产生水平裂缝。

竖向裂缝:这种裂缝大都在纵横墙交接处出现,交接处被拉脱或成马牙状,有时因房屋结构体系的变化,相邻部分的振幅不同而产生竖向裂缝。

1.2 墙体的局部倒塌。如果房屋个别部位的强度和整体性差,纵墙于横墙间的联系不好,平面或里面上有显著的局部突出等,在强烈地震的作用下往往会引起局部的倒塌。此外,如果房屋的上层自重大,刚度差或上层砌体强度低,也可能发生上部倒塌的情况。

1.3 房屋全部倒塌。

在强烈地震作用下,如果底层墙体抗震强度不够,则底层先塌,从而引起上层的倒塌,这时,倒塌后的楼板往往逐层相叠落下。当结构的整体性差而上层墙体又过于薄弱时,往往上层首先倒塌,这时由于下层受砸而发生倒塌,因而倒塌的楼板一般无一定规则。当砌体房屋的强度太差而不足以抵抗地震作用时,往往上下层同时发生散碎,彻底倒塌;这时墙体完全散裂而成为零散的块体,完全失去承载能力。

2 配筋砌体的抗震设计

砌体结构要改变传统概念上的脆性性质,实现现有条件下的层数和高度限制,以及使之更有效地应用于抗震设防地区,应该采用配筋砌体。配筋砌块墙体的力学性能与钢筋混凝土墙非常接近,因同属一种材料,仅在构造上有所区别。如正截面承载力的计算,配筋砌体可采用与钢筋硅完全相同的基本假定和计算模型,仅是砌块墙中灌芯砌体的极限压应变应有所区别。

2.1 配筋砌块砌体墙的斜截面承载力中抗剪承载能力主要与下列因素有关:

2.1.1 配筋砌块墙的轴压比。

在轴压比不大的情况下,墙体的抗剪能力和变形能力是随着压应力的增加而增加的;但当轴压比达到一定数值后。这种现象将出现逆转。根据试验数据,需要控制配筋砌块砌体墙中的压应力,使之对抗剪承载力的提高不大于0.12N(N为轴向压力〕。

2.1.2 砌块墙的高宽比或剪跨比。

当剪跨比较小时,如λ≤1,则表现为剪切破坏;当λ≥1时,则趋于弯曲破坏。剪切破坏的墙体抗侧承载力远小于弯曲破坏的墙体抗侧承载力,因此,设计时尽量避免墙体的剪切破坏。根据国内的试验资料,一般认为λ=2.0左右作为两种破坏形态的分界值比较适宜。

2.1.3 砌体墙中的钢筋提高了墙体变形能力和抗剪能力。

其中水平钢筋在通过斜截面上直接受拉抗剪,但在墙体开裂前几乎不受力,待墙体开裂后才参与工作,直至屈服。竖向钢筋的抗剪作用主要通过销栓作用使钢筋受力,但一般墙体达到极限荷载时,钢筋也不能全部达到屈服。

2.1.4 砌块及灌芯混凝土的强度。

配筋砌块砌体剪力墙一般要求灌实全部或大部分孔洞。因此,砌筑砂浆对墙体的抗剪承载力影响减少,使得此种墙体的抗剪性能更接近于钢筋砼剪力墙。

2.2 配筋砌块砌体墙的抗震设计遵循“强剪弱弯”的原则。

按照不同的抗震等级,加强其底部剪力墙的承载能力,分别取1.2倍～1.6倍进行设计。配筋砌块砌体墙截面组合的剪力设计值应满足:当剪跨比大于2时,V≤1/Rre(0.2fbh);当剪跨比小于2时,V≤1/Rre(0.15fbh)。

2.3 连梁的抗震设计。

在配筋砌块砌体墙中,连梁作为整体结构的第一道防线,即设计时应使连梁先于剪力墙破坏,从而保证墙体的安全。在对连梁设计时,应使连梁的斜截面抗剪承载能力大于正截面抗弯承载能力,实现“强剪弱弯”的原则。配筋砌块砌体墙的连梁可以是配筋砌块连梁,也可以是现浇钢筋险连梁。但考虑到连梁受力较大、配筋较多时,会给砌块砌体施工带来困难,因此,规定跨高比大于2.5时,采用钢筋砼连梁,而不允许采用配筋砌块砌体连梁。

3配筋砌体的抗震措施

3.1建筑布置与结构选型。

包括合理的建筑平、立、剖面和结构布置,房屋总高度、总层数的限值,高宽比的限值等,应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系,同时要控制横墙的间距,其主要目的是使房屋在地震作用下各构件能均匀受力,不产生过大的内力或应力。

3.2构造措施。

3.2.1构造柱。

设置钢筋混凝土构造柱可以明显改善多层砌体结构房屋的抗震性能。其功能和作用主要有以下几点:

可以提高砌体抗剪强度10%-30%,其提高幅度与墙体的高宽比、竖向压力和开洞情况有关;对砌体起约束作用,提高其变形能力,限制墙体裂缝的发展,设置在震害较重、连接构造薄弱和易于应力集中部位的构造柱,可以加强纵横墙体直接的连接,起到减轻震害的作用。

3.2.2 圈梁。

圈梁是多层砌体结构房屋一种经济有效的抗震措施。其主要功能有以下几点:

加强房屋的整体性。由于圈梁的约束作用,减小了预制板散开以及墙体出平面倒塌的危险性,使纵、横墙能保持为一个整体的箱型结构,可充分发挥各片墙体的平面内抗剪刚度,有效抵御来自任何方向的水平地震作用。

作为楼盖的边缘构件,提高了楼盖的水平刚度,同时箍住了楼(屋)盖,增强了楼盖的整体性,有利于结构的抗震。

可限制墙体斜裂缝的开展和延伸,使墙体裂缝仅在两道圈梁之间的墙段内发生,使墙体的抗剪强度得以充分发挥,提高了墙体的整体性。

可减轻地震时地基不均匀沉陷对房屋的影响。构造柱与圈梁的共同作用,从某种意义上讲,类似于框架结构,只不过没有框架结构那样强劲。构造柱与圈梁把砌体结构分片包围起来,当砌体开裂以后,能使裂缝限制在一定范圍内,使砌体继续维持其竖向承载力,并能继续吸收地震能量,使其不至于倒塌。

4 总结

因为砌体结构的材料如粘土、砂和石材是天然的建筑材料,分布很广,容易就地取材,对施工设备和施工工艺的要求均较简单,与混凝土结构相比,可以大量地节约木材、水泥和钢材,造价较低,所以得到广泛应用,是目前中小城市居民住宅和其它多层建筑的主要形式。但是,砌体结构房屋抗震性能相对较差,在国内外历次强震中破坏率很高。因此,广泛应用配筋砌体,改善配筋砌体结构的延性,提高房屋的抗震性能具有很重要的意义。