砌体结构地震后破坏形式与加固措施

裘华锋

1 工程概况

九洲国际软件园一期工程2号综合楼建于四川省绵阳市迎宾大道南侧,2005年2月完成施工图设计,2005年年底建成并投入使用。该建筑地上总层数为8层,1层为自行车库,2层～7层为标准宿舍层,8层为阁楼层,结构高度为23.45 m,平面总尺寸为53.24 m×18.24 m(见图1)。

工程设计基本情况为:工程结构设计合理使用年限为50年,结构体系为砖混结构,建筑结构安全等级为二级,基础设计等级为丙类,场地类别为Ⅱ类,建筑抗震设防烈度6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第二组,设计特征周期为0.40 s,建筑抗震设防类别丙类。基础形式为墙下钢筋混凝土条形基础,上部采用砌体结构,楼、屋面板为现浇钢筋混凝土板,每层设置圈梁,楼梯间四角、外墙四角和对应转角、内外墙上大于2 m及以上的洞口两侧、纵横墙交接处和内外墙交接处均设置构造柱。

工程材料使用情况为:-0.030以下采用 M15水泥砂浆,-0.030～8.120标高墙体采用M15混合砂浆,8.120标高以上墙体采用M10混合砂浆。8.120标高以下墙体采用MU20烧结普通砖。8.120标高以上墙体采用M U10烧结多孔砖。

2 震后主体结构的破坏现象

发生在四川的5·12汶川大地震震级为里氏8.0级,震源深度14 km,震中位于汶川县映秀镇(纬度 31.0°N,经度 103.4°E)。该工程所在地离震中相距较近,在地震作用下主体结构有多处受到破坏,主要破坏现象如下:1)楼梯间破损、破坏:位于1号楼梯间在Ⓔ轴的下部几层休息平台以上、窗台以下的窗下墙上,出现了“X”形贯穿裂缝,位于2号楼梯间在Ⓓ轴墙体上与○14轴相交处顶层有水平和竖向的裂缝。2)门窗间墙斜裂缝破坏:位于2层的Ⓓ轴交于⑤轴和⑥轴之间的门洞与窗洞之间的小承重墙垛(宽460 mm)上,出现了从窗底斜向上至门洞顶的贯穿斜裂缝。3)门窗洞口处上下斜裂缝和墙体水平裂缝破坏:位于Ⓒ轴与Ⓓ轴的纵向内承重墙上,门洞顶有多处出现了从门洞顶沿45°方向向上的斜向裂缝,裂缝止于楼面圈梁底,局部位置还出现了门洞顶过梁与砖墙之间的水平裂缝。4)女儿墙破损、破坏:Ⓓ轴交于○13轴和○15轴的女儿墙及外挑部分在与屋面板交接处形成整体的水平裂缝,并整体向外侧平移了60 mm。

3 结构破坏成因分析

砖混结构房屋震害种类繁多,成因也错综复杂,但多层砖混结构房屋墙体在水平地震作用下,多数墙体主要承受水平地震剪力,根据震害特征,影响墙体抗震性能的主要因素是墙体强度,而由于砌筑砂浆强度往往低于砖的强度,或因施工质量等因素影响,墙体的承载力主要取决于砂浆强度和砌筑质量,当墙体受到的地震剪力超过其抗剪承载力时,墙体就会剪切破坏。

第1破坏现象中位于1号楼梯间Ⓔ轴上的“X”形贯穿裂缝,可能是由于楼板在楼梯间中断,同时纵墙在此内凹导致水平地震力集中在Ⓔ轴的墙上,另外由于Ⓔ轴的墙体上开有窗洞造成墙下自身强度、刚度较两侧连续墙体低很多,地震作用时无法协调两侧墙体变形而发生剪切破坏;位于2号楼梯间在Ⓓ轴墙体上与○14轴相交处产生的竖向墙体裂缝可能是○14轴上横墙向楼梯间内移顶裂楼梯间横墙,顶层的水平和竖向相连的裂缝可能受地震鞭梢效应影响,造成楼梯间顶部与主体的裂缝。

第2破坏现象中位于门窗间的小墙垛斜裂缝其破坏形态接近整体墙,表现为剪切破坏特征,可能是由于门窗洞间墙肢高宽比较小,导致裂缝走向较陡,上侧裂墙体有沿裂缝下滑趋势,使墙体竖向承载力损失较大,同时墙体面外的稳定性也差,此类裂缝容易在余震中发生倒塌破坏,对整栋建筑安全构成威胁。

第3破坏现象中位于门窗洞口处上下斜裂缝是在现场见到最多的一种震害,当砌体墙上下成裂开洞时,过梁、楼板(圈梁)及其间的墙体或多或少的具有一定刚度和整体性,从而形成类似现浇剪力墙结构中的连梁机制,这种组合构件成为砖砌体房屋抵抗地震作用的第一道防线,也是最先破坏的位置,从现场实际可发现房屋主要承重墙体仍保持弹性工作状态而未发生破坏,但门窗洞口“连梁”则出现了不同程度的震害,贯通裂缝呈单斜或交叉状。现场还发现由于预制过梁坐浆强度较低或砌筑不饱满,造成裂缝在过梁底及端面严重开展;门洞顶过梁与砖墙之间的水平裂缝系过梁上皮坐浆强度较低,砌筑质量差等因素形成初始缺陷,在水平地震作用下上部墙体错动、松动而形成的,同时伴有上部墙体的剪切破坏。

第4破坏现象中,女儿墙整体外闪形成屋面处通长水平裂缝,从破坏后墙体断面可以发现女儿墙内没有按设计要求设置构造柱,缺乏可靠的锚固和约束才导致开裂并向外侧整体位移。女儿墙的破坏对主体结构安全影响较小,但容易发生坠落伤人。

4 加固方案设计

受业主委托经现场查勘,依据GB 50023-95建筑抗震鉴定标准规范和JGJ 116-98建筑抗震加固技术规程中相关内容对受破坏的部分进行了抗震加固设计。第1破坏现象中窗下墙上出现的“X”交叉裂缝,采用钢筋网砂浆面层加固方法。材料采用M10水泥砂浆,φ 4@300 mm×300 mm钢筋网。砂浆面层的厚度取35 mm,钢筋外保护层厚度不应小于10 mm,钢筋网与墙面的空隙不宜小于5 mm。钢筋网采用S形穿墙筋连接,穿墙筋的间距为900 mm,呈梅花状布置。钢筋网四周与楼板或大梁、柱或墙体连接,采用锚筋、插入短筋、拉结筋等连接方法进行连接,当钢筋网的横向钢筋遇有门窗洞口时,将两侧横向钢筋在洞口闭合。主要施工步骤:原墙面清底→钻孔→清洗原墙面→刷素水泥砂浆→铺设钢筋,安设锚筋→浇水湿润墙面→逐层抹水泥砂浆→结硬后进行养护→装饰施工。第2破坏现象中门窗间墙斜裂缝和第4破坏现象中女儿墙破损由于破坏较严重,采用拆砌加固方法。材料采用M10混合砂浆,M U10烧结实心砖。门窗间墙重砌后面层采用钢筋网砂浆面层进行加强(做法同上);女儿墙按规范要求每隔3 m 设一 240×240构造柱,内配4Φ12纵筋,φ 6@200箍筋,墙顶设 120厚混凝土压顶,内配 3Φ 10纵筋,@200分布筋。第 3破坏现象中门窗洞口处上下斜裂缝及其他细裂缝,采用高压注浆封堵裂缝加固方法。注浆材料采用环氧树脂砂浆或水玻璃砂浆。

5 结语

砌体结构的抗震性能需要严格的构造措施和施工质量给予保证,包括合理设置钢筋混凝土构造柱和圈梁等,特别应加强构造柱和承重墙的安全储备,否则这种结构形式极易在地震中发生严重破坏。对工程建设的监督和管理仍需加强,避免在设计和施工环节中出现不符合抗震规范的建筑工程。在设计方面,应加强结构抗震体系和概念设计的教育,并在抗震构造措施方面严格执行设计规范的规定,如构造柱和圈梁设置要求,预制板的拉结要求,最小配筋率和最小配箍率要求,箍筋弯钩和箍筋间距要求等。在施工方面,应严格保证工程材料质量、混凝土级配、钢筋构造措施的实现等,保证工程施工质量。

[1]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S].

[2]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].

[3]JGJ 116-98,建筑抗震加固技术规程[S].

[4]黄兴棣.建筑物鉴定加固与增层改造[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[5]赵丽清.砌体结构房屋抗震设计[J].山西建筑,2007,33(5):82-83.

[6]林宗凡.多层砌体房屋结构设计——方法与应用[M].上海:上海科学技术出版社,1999.