圈梁对砌体结构抗震性能影响研究

郭 丽 李 琪 王小玲 梁文文 熊言斌

（江西科技学院，江西 南昌 330000)

0 引言

地震造成的灾害是自然界最具破坏性的灾害之一。地震在地下岩层应力的作用下，由于产生错动和破裂从而引起地面震动。地震还会引发严重的自然灾难，比如滑坡、海啸、洪水、泥石流等，对人类造成了严重灾难。每天地球都在发生着无数地震，大多由于震级太小，我们没有感知到，我们把这种地震叫无感地震。我们能感知到的地震约五万次，产生破坏的约一千次，但仅数十次7 级及以上的震级对我们造成较大破坏，其中大多发生在海上和人口较少地区。以地质情况看，我国是世界上地震频发的国家之一。破坏性的地震多半发生在广大的农村和城镇地区，尤其是西部欠发达的地区。由于经济等多种原因，村镇的房屋及建筑物的抗震性能一直不能得到很好的保证[2]。所以，研究村镇建筑的抗震技术是非常重要和必要的。自1976 年唐山大地震之后，工程师们吸取地震对砌体建筑物危害的教训，改善砌体结构抗震性能设计理念，在施工方面也采取抗震措施。如果增加设置构造柱或圈梁，并在《砌体结构设计规范》中明确要求，可提升砌体结构抗震性能及其抗震效果。

1 砌体结构震害类型

5.12 汶川地震震级大、烈度高、余震频繁、波及范围大、受灾区域广，给国家和人民带来了巨大的灾难和损失。震后各相关组织机构分别进行了深入的调查，分析了房屋震害情况，总结经验吸取教训。在地震中结构同时承受重力、水平方向和竖直方向的作用力，受力情况比较复杂，根据结构形式、圈梁和构造柱设置情况的不同，结构的破坏情况也不尽相同。根据大量的研究统计说明，未经采取抗震设防的砌体结构房屋震害尤其严重。对砌体结构的震害分析，总结震害的规律和教训，改进和优化砌体结构抗震设防及加固方法，大大提高了砌体结构的抗震性能[3]。根据结构的倒塌位置和规模，可以总结为：

1.1 整体坍塌

砌体结构的抗震性能和延性较差，特别是对于一定年限的老建筑。因为没有进行构造措施（圈梁、构造柱）设计，其稳定性和承载能力均比较低，裂缝形成迅速，易产生坍塌。甚至很多砌体结构，整体坍塌后，受损严重，地震来临之后变成废墟[4]。在震中设防烈度高的地区易发生整体坍塌，地震实际产生的烈度超过当地抗震设防标准，并且这些结构本身存在比较大的缺陷，如结构设计、构造措施及施工质量。

1.2 局部倒塌

砌体结构容易发生局部倒塌，其类型有：一端出现坍塌，另一端未出现坍塌；中部坍塌，两端未坍塌；两端坍塌，中部未坍塌；外墙坍塌，内壁未坍塌等等。它主要发生在房子的墙角；垂直墙与水平墙相连处；建筑物平面凹凸位置改变的地方，地震来临时由于应力集中导致结构出现局部倒塌；很多非现浇楼板，由于楼板之间连接不牢固，使得结构整体性差，地震时墙角扭转变形，从而造成楼板倒塌[5]；砌体结构楼梯、变形缝、或者其他附属设施，在对建筑物进行布局时，为了空间大，横向支撑少，墙体垂直方向与水平方向连接差，非现浇板与墙体连接差，从而造成墙体连续倒塌破坏。

1.3 层间塌落

层间倒塌是一种“不完全整体破坏”，表现为砌体结构底层或部分楼层的整体倒塌。因为地震力作用时，房屋底部剪力较大，使得底部墙体产生脆性破坏。

（1）结果表明，由于剪力过大产生瞬时剪切脆性破坏，使得建筑物横墙底部无法支撑上部结构，造成底部抗剪能力全部丧失。

（2）地震力的作用，造成建筑物横墙底部受损，结构底部产生坍塌，同时上部结构也产生了向下倾斜。

1.4 开间垮塌

“开间垮塌”的形式是结构的竖向贯入破坏，通常发生在竖向墙体被开口严重削弱，从顶部到底部连续塌陷。然而，对于其破坏方式没有共识，其原因直接与结构的布置有关[6]。砌体结构承重墙产生这类破坏的形式不多，且由于这类结构往往与横墙的连接性较差，地震来临时很容易倒塌。

2 砌体结构震害分析

多层砖混结构房屋空间小，横墙数量多，跨度小，结构整体刚度大。对大量现场的震害调查表明，多层砌体结构若按规范要求设置抗震性能良好，经过工程师们进行过抗震设计的砌体结构产生的倒塌破坏性较小，基本能满足“大震不倒”的抗震设防目标，说明多层砌体结构建筑具有一定的抗倒塌能力。

（1）在建筑物的底部容易出现承重墙破坏。横向斜裂缝、单向斜裂缝及圈梁底部的水平裂缝破坏，是地震加速度出现瞬时峰值的主要原因。因此造成墙体被切割破坏，说明砌体结构房屋延展性能较差。

（2）纵向多层砌体结构墙体的破坏。竖向墙体的破坏主要是墙与窗之间的墙体的破坏，墙与窗之间墙体下的横向斜裂缝都是在地震作用下剪力墙发生较大的剪切破坏。这类破坏形式较为普遍，因此墙下墙的破坏也较为普遍，工程师们应对于窗与墙间窗的设计及采取的构造措施引起高度重视。

（3）多层砌体墙交叉处出现破坏。在双向地震作用下，由于应力集中，竖向和水平墙的节点出现开裂和拉裂现象。

（4）由于构造柱的剪力墙和构造柱上的钢筋约束不足，导致构造柱的破坏。

（5）多层砌体在±0.00 处破损，墙体破坏形成整体水平裂缝。这是一种特殊的剪切破坏，它会导致房屋整体滑动，从而耗散大量的地震能量，对砌体的其他部分造成轻微破坏。

（6）楼梯间的损坏。楼梯间对建筑物的重要性非常大，楼梯间的破坏和倒塌对人员逃生疏散影响也非常大。

（7）多层砌体结构的倒塌。按倒塌程度分类，砌体结构分为全部倒塌和部分倒塌。汶川地震中，倒塌的高烈度砌体结构大量存在，首先，砌体结构整体较差，连续抗倒塌能力低，特别是未经抗震设防的旧砖房，砌体结构的构造、未采取有效措施，且砖混结构承载力低，开裂后有效约束差，裂缝宽快速扩展，结构延性差，很容易倒塌。

3 控制措施

大量震害统计表明，没有抗震设防的多层砖房，震害相当严重。对砌体结构的震害进行分析，对震害规律和教训进行总结，在建筑物整体性不满足要求时，可采取以下措施改进和优化砌体结构的抗震设计和加固方法：

（1）当同一平面内的墙体非封闭布置时，可于洞口处增设墙段或者通过增加设置现浇钢筋混凝土框架的方法形成封闭结构。

（2）当水平墙和垂直墙连接不良时，可用钢拉杆、长错杆、附加柱或附加圈梁加固。

（3）砌体结构均应增加设置圈梁或构造柱，并且圈梁构造柱在设置时，应相互连接，形成闭合框架。环梁结构柱采用现浇混凝土，内环梁采用钢拉杆。这种方法可以大大提高砌体结构的整体性，防止或延缓砌体结构的倒塌。

结合国内外学者的大量研究发现，原始的砌体结构抗震措施尤其有效。比如建筑物如果设置了圈梁和结构柱，较好的完整性大大降低了倒塌的可能性。与预制楼板相比，现浇楼板在结构中表现出更为突出的协同能力[7]。

4 圈梁的作用

圈梁在建筑抗震中起着重要的作用，是一种经济有效的抗震措施。其主要功能如下：

（1）加强房子的完整性。因为环梁的约束，预制板的传播的风险，倒塌的平面降低，这样可以保持作为一个整体的垂直和水平的墙壁和结构，可以充分发挥每个墙的平面剪切强度，有效抵抗水平地震任何方向作用力。

（2）圈梁处于地板边缘，可增加地板水平刚度，同时由于箍住了地板（屋顶），也可提高地板完整性。

（3）墙体斜裂缝的发展和延伸受到限制，从而使得只在两圈梁之间的墙体截面上出现墙体开裂，墙体的抗剪能力得到充分地发挥，墙体的稳定性大大提高[8]。

（4）可以减少地震时建筑物地基的不均匀沉降影响；当房屋建于软弱地基上时，均匀荷载作用下的建筑物肯定会产生不均匀沉降，会使抗拉强度很低的墙砌体很可能被拉裂。而通过圈梁的有效协同作用，增强了建筑物的整体性和抗弯曲能力，有效约束墙体裂缝的开展。此时，将圈梁设置在建筑物的基础顶面和檐口部位，抵抗不均匀沉降的效果最为显著。

（5）地震时可以减少甚至防止房屋因地面裂缝产生撕裂，防止较大振动荷载和地震对房屋的不利影响。通过圈梁在空间上的纵横拉结，尤其通过锚入墙体内的拉结钢筋，宛如一只只强有力的手臂使纵横墙体和楼盖连结成一体，大大提高了建筑物的空间刚度和整体性，加强墙体的抗剪、抗弯曲能力，同时，通过水平圈梁的设置，减少了墙体的竖向自由长度，增强墙体的稳定性，从而提高了建筑物的抗震能力和防止墙体连续倒塌。

5 结束语

综上所述，过多的圈梁设置，过大的断面、配筋，以及过高的混凝土标号，都会成为砖混结构中闲置的安全储备，并不能充分发挥其应有的作用。且在对砌体结构设置圈梁与否的弹塑性分析发现，大震作用时，圈梁的设置提高了窗下墙及结构的整体抗破坏能力。判定圈梁的设置对窗下墙的破坏起到了延缓作用，今后工程师们在进行窗下墙的承载能力设计和窗下墙破坏模式的控制方法时，必须将圈梁的作用考虑在内。在我国，目前大量房屋的抗震加固与经济性形成了巨大的反差。作为工程设计人员，应将节约成本、提高收益作为指导思想，对于部分不符合当地抗震设防要求的多层砖混结构建筑物，国家可倡导通过加固圈梁和构造柱的方法来提高建筑物的抗震效果，通过合理设置圈梁和构造柱达到连接有效的效果[9]。这样在保存建筑结构完整性的基础上，延长了建筑房屋使用年限，也大大提高了建筑房屋使用价值。当然，多层砌体结构的整体连接结构只是抗震设防的一个方面。为满足住建部要求的“三水准”，工程师们应当严格按照国家相关规范规定对建筑物进行综合抗震设防考虑，从而使得建筑物的整体抗震性能得到提高[10]。