砌体结构设计中的几个问题

王 正

汶川地震实例表明,砌体结构在开间较小,构造柱按构造与计算要求设置并同圈梁形成混凝土约束边框的情况下,比框架体系具备更多的超静定次数,而由于各种原因框架结构在设计时并未实现强柱弱梁的目标。实例表明,大量塑性铰出现在柱端,砌体结构因而也就在大震时具备了比框架结构更强的抗震能力,现通过若干问题分析砌体结构的利弊。

1 平面

若平面不规则,墙体不连贯形成连续的抗侧力体系,在计算中就会发现部分墙体抗力效应比远小于1。计算所需配筋超过墙体最大配筋率要求,只能依靠增加构造柱或抗力效应比较小的墙体混凝土剪力墙,才能保证通过,如图1,图 2所示。图1中结构平面较为规则,图2平面是 L形且很不规则,所以图2墙体中40%左右墙体抗力效应比较小,以致于不得不将部分墙体上洞口减小或移动洞口位置,才使得最终结构抗震计算通过。图1中虽平面较为规则,但楼梯间凸出、外墙不连贯且开有较大洞口,部分端部墙体仍需配筋,而楼梯间凸出,凸出部分墙体在地震中位移势必增大,极易造成破坏,但建筑方案不得改动,最后将整个凸出部分配筋,同时增大了构造柱筋及圈梁尺寸与配筋(构造柱主筋再加大为 4二级钢14,箍筋变为一级钢 8@100。圈梁截面430 mm,箍筋变为一级钢8@100),以期在大震中即便是墙体开裂,而在圈梁构造柱的约束下也不致于全面垮塌,从而保证了人员的安全撤出,若要实现这一目标,构造柱圈梁就不能提前破坏。

以上就是由于平面不规则而引起的一系列问题,实际上,开发商应注意到如果平面规则,可以节省很大一笔投资。笔者曾遇到一个工程,边单元全部是大开间卧室、客厅、开有角窗,结果导致抗震验算无法通过。后经与开发商协商,做成假角窗,即山墙无翼墙。即便如此,山墙厚度达到500 mm厚,且墙体配置水平五道三级钢4钢筋,这种做法非常不经济。而砖混结构能够存活至今,依靠的是其造价低廉和施工简便,若是单纯追求外立面效果、房屋大开间的话,笔者认为结构形式不宜采用砌体结构。

2 基础

汶川地震中部分民房就采用了柔性条形基础,由于基础的整体性不强,使得基础提前破坏,从而导致了墙体通长裂缝的出现,使得整个建筑物彻底损毁。因此可以推论砌体结构不适于采用柔性基础,而我们以现今的经济力量来看,完全可以采用筏板基础或刚性条基。在实际中,如果采用了筏板基础,建筑物沉降差就会减小,从而极大的避免了由于不均匀沉降而产生的墙体裂缝。在震中地区,竖向地震作用巨大,有资料表明,汶川地震中竖向地震加速度已大于1.0g,在此种情况下,柔性条基势必破坏,而刚性基础因其整体性良好,抗震能力强,可保证大震情况下基础不被首先破坏,从而保证了上部结构不会因基础的破坏而失去承载力导致垮塌。若基础刚性愈强,其抗震能力势必愈强。因此,砌体结构由于材料自身原因,上部刚度不强,为保证其在大震下不倒塌,宜采用筏板基础,而一些地基自身刚度较强的地段如基岩,笔者认为可采用刚性条基。

3 构造柱及墙体加筋

构造柱除应按规范要求,在外墙四角、楼(电)梯间四角,较大洞口两侧、大房间内外墙交接处、较大洞口两侧,所有纵横墙交接处设置以外,在8度区的砖混结构计算时,许多墙中部都应按计算要求增加构造柱,尤其是端部短墙,如图1中方框处短墙,若不增加墙中部构造柱,墙体抗力效应比只能达到0.71,抗震验算根本无法通过。但应注意到,如适当增加构造柱数量将有利于改善墙体抗力效应比,但当中部构造柱增加到一定程度时,不仅对抗力效应比提高没有帮助,反而会因为墙体截面面积减小而降低其抗震承载力,而某些部位的构造柱应整体加强,如图1中楼梯面凸出部位,外墙角部,这些在地震作用中效应较大的部位,加强措施可采用加大箍筋,提高混凝土标号,同时应增大竖向钢筋规格。计算中若增加构造柱仍无法使抗力效应大于1,则只能采取墙体加筋的方法,但设计时应注意很多问题。如电算结果仅提供配筋值,并未考虑最大最小配筋率,另外规范要求,水平灰缝厚度不得大于12 mm,而钢筋上下至少应保证2 mm厚砂浆,因此水平筋根部筋直径之和不得大于8 mm。一般情况下,水平筋可取4 mm(240墙三排、370墙四排),分布筋3 mm。但是笔者认为,设计中应尽量少采用或不采用水平配筋,而应靠尽可能调整方案、洞口大小位置来提高抗力效应比,因为在施工过程中,钢筋上下各2 mm砂浆就很难保证,而且加筋后灰缝厚度经常超过规范值,不得不返工重做,从而加大了经济成本,产生耗时耗力的效果。

4 结语

砖混结构优点在于施工简便、造价低廉,在实际应用中,如采用刚性基础、平面规则、开窗洞口位置合理的情况下,如按造价及计算要求设置构造柱、增加圈梁,这种结构仍然有着良好的抗震功能,尤其是在华北大部分地区及西部少部分地区,粉煤灰有大量储备,在技术支持下,粉煤灰蒸压砌块的各项指标已全面超过粘土砖,砖混结构有很强的生存空间。因此,笔者认为砖混结构只适用于经济适用房、廉租房等工程建设,而不适用于房屋开间较大的学校、医院等公共建筑或豪华住宅。

[1] 郑 娟.探讨砌体结构的抗震概念设计[J].山西建筑,2009,35(33):80-81.