多层砌体住宅建筑抗震实例分析

2017-04-27李佳

林产工业 2017年7期

李佳

建筑物的设计和建造手段经历了一个从刚性设计、柔性设计、延性设计到采用结构控制手段的演变过程[1]。砌体结构多采用砖和砂浆砌筑，通过内外砖墙的咬砌达到整体连接性，这种组成材料和连接方式决定了其脆性性质，变形能力小，虽然采取加强措施，但抗震性能和砌体的抗拉能力、抗剪能力都较低，结构较易发生脆性的剪切破坏，甚至导致整个房屋的破坏和倒塌。但是多层砌体结构房屋在建筑设计领域，特别是中小城镇还有着广泛的应用，因此在抗震设防地区改善多层砖混砌体房屋结构延性，提高抗震性能具有极其重要的意义。

笔者通过工程实例，运用计算机的计算软件理论计算出结构的薄弱环节，从而进行合理设计，通过在相应位置设置构造柱，墙体内设置钢筋，加大承重墙体厚度等方式加强房屋的抗震性能，使多层砌体结构成为了满足工程相应抗震设计目标的结构体系。

1 工程概述

实例工程为山西省某县的一栋住宅楼。住宅楼总共六层，其中一层为储物间和车库，二层以上为住宅，共六个单元。建筑总高度18.75 m，首层层高2.6 m，二层及以上层高3.0 m，总建筑面积5 560 m2。

其建筑主体结构采用砌体结构，基础为筏板基础。工程所在地的抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.20 g。此建筑抗震设防类别属于丙类。建筑场地类别为Ⅲ类。

2 结构的抗震分析

该工程运用PKPM V3.1的砌体结构设计软件进行结构分析及计算，计算结果显示一层及二、三层多数纵向墙体抗震验算结果不满足要求，分析造成此结果的原因如下：

1）工程所在区域抗震烈度8度，0.20 g，6层，总高18.75 m，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》表7.1.2房屋的层数限值为6层，建筑总高度限值18 m，因此该多层砖砌体房屋总高度18.75 m，六层砌体已达到规范所规定的上限值。

2）建筑场地类别为Ⅲ类，且场地土有轻微液化，都是对抗震很不利的因素。

3）由于建筑需要纵墙较少，底层外纵墙少且开洞较大，底层和标准层内纵墙不是上下对齐，二层以上较多纵墙在第一层并没有落地，以建筑1个单元为例，如图1、2所示，比如标准层的D轴①②段及⑥⑦段墙体在第一层并没有墙体。

图1 首层墙体布局Fig.1 Wall layout of the first layer

图2 标准层墙体布局Fig.2 Wall layout of the standard layer

2.1 抗震加强措施

2.1.1 对基础采取的措施

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》表4.3.6，丙类建筑，地基的液化等级为轻微者，基础和上部结构处理，亦可不采取措施。即尽量避免采用加固处理液化土层的方法,而是对基础和上部结构在构造措施方面进行有效处理。采取的措施比如通过采用箱基、筏板基础或者加设基础圈梁等。为此该住宅楼采用筏板基础[3]，并在-0.050 m标高处加设300 mm高基础圈梁。在管道洞口处，洞口尺寸有预留，采用柔性接头。

2.1.2 上部结构采取的措施

该工程一共6个单元，在3个单元处设置了伸缩缝兼做防震缝，缝宽100 mm，且缝两侧均设置墙体。

在底层的窗台下墙体灰缝内设置3道焊接钢筋网片，并伸入两边窗间墙内不小于600 mm。顶层墙体有门窗洞时，在过梁上的水平灰缝内设置3道焊接钢筋网片，并伸入洞口两端墙内不小于600 mm。

楼梯间属于砌体结构抗震的薄弱部位，所以将楼梯间墙体通过配置钢筋得以加强，比如顶层沿墙高每隔500 mm处设置通长钢筋；其他的各层楼梯间的休息平台处设置钢筋混凝土带。

由于一层外纵墙洞口为库房的大门，根据建筑需要开洞较大，为2 500 mm×2 100 mm，而二层以上的相应位置为卧室窗洞口，仅为1 700 mm×1 700 mm,导致下层开洞大于上层，因此库房门洞上部梁受力很大，不能简单的按照过梁和圈梁的合并来计算，而是单独对此道梁进行了受力分析，配筋见图3。

图3 车库门洞上梁配筋图Fig.3 Reinforcement diagram of beam on the garage door

2.1.3 构造柱的设置

图4 配筋墙体位置Fig.4 Reinforced wall location

钢筋混凝土构造柱的作用主要在于对墙体的约束，构造柱截面不必过大，但是需要和各层纵横墙的圈梁和现浇楼板连接，才能充分发挥约束作用。按照GB 50011—2010表7.3.1条规定设置构造柱。规范第7.3.2条第5款规定，在高度和层数接近表7.1.2限值时，还需要增设构造柱，构造柱具体布置位置见图2，在个别纵墙抗震验算结果不合格处，如轴与③轴交接处,轴与⑤轴交接处增设构造柱，加强纵墙墙体抗震能力。构造柱的配筋方面，根据GB 50011—2010第7.3.2条构造柱采用4采16的纵筋，箍筋采用φ8@200。四角及转角处的构造柱截面适当加大，采用370 mm×370 mm。

2.1.4 圈梁的设置

抗震构造是砌体房屋设计的重点，而抗震构造的重点又是圈梁和构造柱的设置，圈梁和构造柱共同设置能增强房屋的整体性和抗变形能力，提高房屋的抗震性能，避免墙体开裂后突然倒塌，是抗震的有效措施[2]。该工程在屋盖及每层楼盖处、各层所有横墙处均设置180 mm高圈梁，圈梁配筋4φ12，箍筋φ6@200。

圈梁在门窗洞口无法连续时的做法见图5。当圈梁和过梁重叠时的做法详见图6。

图5 圈梁在洞口不连续处做法Fig.5 The ring beam in the hole discontinuity approach

图6 圈梁兼做过梁做法Fig.6 Ring beam and lintel approach

2.1.5 墙体配置钢筋

砌体的抗拉强度很低，为了提高整个墙体的抗拉能力，可以采用在灰缝中配置一定数量的横向钢筋，根据GB 50003—2011《砌体结构设计规范》第10.2.2条式10.2.2-2：

式中： V——考虑地震作用组合的墙体剪力设计值，kN；

γRE——承载力抗震调整系数；

fvE——砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值，N/mm2；

A——墙体横截面面积，mm2；

ζs——钢筋参与工作系数；

fyh——墙体水平纵向钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2；

Ash——层间墙体竖向截面的总水平纵向钢筋面积，mm2。

在墙体断裂退出工作时，墙体内的钢筋会起到抗剪的作用。规范规定砌体墙体的配筋率在0.07%～0.17%为宜。该工程根据PKPM计算，软件在墙体抗震验算不合格的墙段标示所需配置钢筋面积，根据钢筋面积在墙段砌体灰缝处配置钢筋，如图4中阴影部分墙体中配置2φ6@200的钢筋，可改善砌体结构的受力性能，提高砌体的延性。

另外，在墙体转角处和纵横墙交接处按照规范设置拉结钢筋。根据GB 50003—2011第6.2.2条“应沿竖向每个400 ～500 mm设拉结钢筋，其数量为每120 mm墙厚不少于1根直径6 mm的钢筋”；“埋入长度从墙的转角或交接处算起，对实心砖墙每边不少于500 mm”[4]。