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纺屈
5 years ago
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1 建筑结构抗震设计建筑工程学院

2 第五章多层砌体结构抗震设计教学目的和要求 1. 了解砌体结构房屋震害特点及其原因 ; 2. 掌握砌体结构房屋抗震概念设计原则, 明确砌体结构房屋层数高度高宽比横墙间距房屋局部尺寸等的限值规定 3. 掌握多层砌体房屋底框 - 抗震墙砌体房屋的地震剪力计算及分配方法 ; 4. 掌握砌体结构抗震承载力验算方法 ; 5. 熟悉砌体结构中构造柱圈梁芯柱纵横墙连接构件连接等的构造要求

3 5.1 概述历次大地震的灾害调查结果统计分析表明 : 6 度区主体结构基本完好, 女儿墙小烟囱严重破坏 7 度区主体结构轻微损坏, 小部分中等损坏 8 度区多数出现震害, 近半数达到中等破坏 9 度区房屋普遍遭到破坏, 多数达到严重破坏 10 度区少数严重破坏, 大多数倒塌

4 事实说明 : 多数砖房的抗破坏能力较低, 但仍具有较高的抗倒塌能力仅在 10 度 11 度才有大量砖房倒塌经过抗震设计并且施工质量得到保证的砌体结构, 其平均震害程度可比未经抗震设计的砌体结构的震害减轻 1~2 个等级通过抗震设计, 可以保证砌体结构在 8 度区内不出现中等以上破坏, 在 10 度区内不出现倒塌

5 5.1.1 砌体结构震害特点震害的发生是由外部条件和内在因素两方面原因促成的外部条件主要是指地震动其震害现象是 : 与水平地震作用走向一致的墙体, 会出现斜裂缝, 多次往复受力作用后多形成交叉裂缝 ; 与水平地震作用走向垂直的墙体 ( 如房屋的纵墙 ) 会因平面的弯曲破坏造成大面积墙体甩落 ; 受地震垂直力的作用, 墙体会出现水平裂缝 ; 受地震扭转力的作用, 房屋的端部 ( 尤其是墙角处 ) 易产生严重的震害

6 内在因素主要是指结构特征在受力复杂约束减弱附属结构等部位常常易于发生较为严重的震害其震害现象是 : 纵横墙连接处, 地震时易于出现竖向裂缝拉脱, 甚至造成纵墙整片倒塌 ; 楼梯间墙体, 由于在高度方向缺乏有力支撑, 约束作用减弱, 空间刚度小, 往往易于破坏 ; 预制钢筋混凝土楼屋盖, 楼板端部往往会在地震种受拉裂开, 甚至出现倒塌 ; 房屋附属物如女儿墙出屋面烟囱垃圾道屋顶小间, 鞭梢效应的影响, 在地震中常常破坏

8 5.1.2 震害规律砌体房屋的震害, 大体存在以下规律 : 1 刚性楼盖房屋, 上层破坏轻, 下层破坏重, 柔性楼盖则恰好相反 ; 2 横墙承重房屋的震害轻于纵墙承重房屋 ; 3 坚实地基上的房屋震害轻于软弱地基和非均匀地基上的房屋震害 ; 4 外廊式房屋往往地震破坏较重 ; 5 预制楼板结构比现浇楼板结构破坏重 ; 6 房屋两端转角楼梯间及附属结构的震害较重

9 5.2 建筑布置与结构选型房屋层数和总高度的限制

10 注 :1 房屋的总高度指室外地面到主要屋面板板顶或檐口的高度, 半地下室从地下室室内地面算起, 全地下室和嵌固条件好的半地下室应允许从室外地面算起 ; 对带阁楼的坡屋面应算到山尖墙的 1/2 高度处 ; 2 室内外高差大于 0.6m 时, 房屋总高度应允许比表中的数据适当增加, 但不应多于 1.0m; 3 乙类设防的多层砌体房屋仍按本地区设防烈度查表, 其层数应减少一层且总高度应降低 3m; 4 不应采用底部框架 - 抗震墙砌体房屋 ; 5 本表小砌块砌体房屋不包括配筋混凝土小型空心砌块砌体房屋

11 5.2.2 房屋高宽比的限制抗震规范通过限制房屋高宽比的规定来确保砌体房屋不发生整体弯曲破坏, 而在抗震强度验算时只验算墙片的抗剪强度, 不再进行整体弯曲强度验算表 5-2(P110) 为抗震规范对房屋高宽比的限值其中, 单面走廊房屋的总宽度不包括走廊宽度 ; 建筑平面接近正方形时, 其高宽比宜适当减小表 5-2 房屋最大高宽比烈度最大高宽比注 :1 房屋的总宽度不包括走廊的宽度 ; 2 平面接近正方形时, 其高宽比宜适当减小

12 5.2.3 砌体抗震横墙的间距抗震横墙的间距直接影响房屋的空间刚度横墙间距过大, 则结构的空间刚度减小, 不能满足楼盖传递水平地震作用到相邻墙体所需的水平刚度的要求注 :1 多层砌体房屋的顶层, 除木屋盖外的最大横墙间距应允许适当放宽, 但应采取相应加强措施 ; 2 多孔砖抗震横墙厚度为 190mm 时, 最大横墙间距应比表中数值减少 3m

13 5.2.4 房屋局部尺寸限制为避免砌体结构房屋出现抗震薄弱部位, 防止因局部破坏而引起房屋倒塌, 房屋中砌体墙段的局部尺寸限值注 :1 局部尺寸不足时, 应采取局部加强措施弥补, 且最小宽度不宜小于 1/4 层高和表列数据的 80%; 2 出入口处的女儿墙应有锚固

14 5.2.5 多层砌体房屋的建筑布置和结构体系基本要求 : 规则均匀对称, 避免质量和刚度发生突变, 避免楼层错层砌体房屋对结构布置的基本要求是 : 1. 优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系 2. 纵横墙的布置宜均匀对称, 沿平面内宜对齐, 沿竖向应上下连续 ; 3. 对 8 度 9 度区且有下列情况之一时宜设防震缝 ⑴ 立面高差在 6m 以上 ⑵ 房屋有错层, 且楼板高差较大 ⑶ 结构的刚度质量截然不同 4. 楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角 5. 烟道风道垃圾道等不应削弱墙体

15 5.3 多层砌体结构的抗震计算一要点 : 1 砌体结构所受地震作用包括水平作用垂直作用和扭转作用, 对砌体结构的抗震计算只要求进行水平地震作用下条件的计算 2 只对薄弱区段的墙体进行抗剪强度的复核二抗震计算的步骤 : 确立计算简图分配地震剪力对不利墙段进行抗震验算

16 5.3.1 计算简图认为砌体房屋在水平地震作用下的变形以层间剪切变形为主其计算简图可采用工程实践中最为常用的层间剪切型计算简图, 如下图所示 : Gn Gi Gj G1 n 层 i 层 j 层底层室内地坪 G1 n Gi Gj 1 n i j H1 Hj Hi Hn (a) 多层砌体结构房屋 (b) 计算简图

17 5.3.2 地震剪力的计算与分配一楼层地震剪力简化 : 一般按底部剪力法计算地震作用周期 : 由于砌体房屋的横墙很多, 刚度很大, 一般 T 不超过 0.25s, 所以取 α = α 1 max F Ek α i i = G max eq 楼层地震剪力标准值 : F V i i GH = GH n = Fi i= j 对于突出屋面的屋顶结构的地震作用效应宜乘以增大系数 3, 以考虑鞭端效应 i i F EK

18 三楼层地震剪力的分配横向的地震剪力由横向墙体承担纵向的地震剪力由纵向墙体承担 ⑴ 横向楼层地震剪力的分配 : 与墙体的刚度和楼盖的刚度有关 1) 刚性楼盖 ( 楼盖的平面内刚度为无穷大 ) 现浇钢筋砼楼盖或装配整体式钢筋砼楼盖认为楼盖为刚性, 各墙体的侧移均相同各横墙所承担的地震剪力按各墙侧移刚度比例进行分配

19 设第 i 层共有 m 道横墙, 其中第 j 道横墙承受的地震剪力为 V, 则 : ij m Vij=Vi j=1 第 j 道墙所承担的剪力为 : 当同层墙体材料和高度均相同, 且只考虑剪切变形时 : V V ij ij = = m K k = 1 m ij K A j= 1 ik ij V A ij i

20 2) 柔性楼盖柔性楼盖房屋 : 以木结构等柔性材料为楼 ( 屋 ) 盖的房屋楼盖在其自身平面内的水平刚度很小, 无法约束各横墙发生相同的水平位移 ; 整个楼盖可近似视为分段简支于各片横墙的多跨简支梁, 各片横墙可独立地变形. 可视结构为分段独立的简支梁, 其各自的变形与产生其地震剪力的重力荷载代表值有关 V i j 当楼层上重力荷载均匀分布时, 上述计算可进步简化为 : G = G V ij i j i i V = i S S ij i V i

21 3) 中性楼盖中等刚度楼盖 : 介于刚度楼盖和柔性楼盖之间的楼 ( 屋 ) 盖, 如装配式钢筋混凝土楼盖各片横墙所承担的地震剪力, 不仅与横墙抗侧力刚度有关而且与楼盖自身的水平变形有关规范规定: 各横墙所分配的地震剪力, 按刚性楼盖和柔性楼盖结果的平均值确定 V ij 1 Kij = + m 2 Kil l = 1 对于一般建筑, 当墙体高度材料相同, 楼 ( 屋 ) 面荷载分布均匀, 且只考虑剪切变形时 : G G V ij i ij Vi 1 Aij = + m 2 Ail l= 1 S S ij i V i

22 (2) 纵向楼层地震剪力的分配房屋纵向较横向长度大几倍, 且纵墙间距小在纵向地震作用下, 楼盖可认为在平面内无变形因而在纵向地震作用下, 纵墙所承担的地震剪力, 不论哪种楼盖, 均可按刚性楼盖考虑, 即纵向地震剪力可按纵墙的刚度比例进行分配

23 (3) 在同一道墙上各墙肢地震剪力的分配在同一道墙上, 门窗洞口之间墙段所承担的地震剪力可按墙段的侧移刚度进行分配 : V ijr = s K l = 1 各墙段的侧移刚度和墙段的高宽比有关 : ijr K ijl V ij h/b<1 剪切墙肢 1 h/b 4 弯剪墙肢 h/b > 4 弯曲墙肢

24 墙段门窗洞口的尺寸取法墙段的高宽比为洞口净高与洞侧墙宽之比 ; 洞高的取法 : 窗间墙取窗洞高 ; 门间墙取门洞高 ; 门窗之间的墙取窗洞高 ; 尽端墙取紧靠尽端的门洞或窗洞高

25 墙段侧移刚度的计算 (1) 实心墙体的侧移刚度 h/b<1 时忽略弯曲变形, 仅考虑剪切变形

26 1 h / b 4 时需同时考虑剪切变形和弯曲变形 h / b > 4 时弯曲变形远远大于剪切变形

27 (2) 开洞墙体的侧移刚度规则洞口对于水平实心墙带 :

28 对于窗间墙

29 带门洞窗口的墙

30 5.3.3 砌体结构抗震强度验算 1 砌体抗剪强度理论我国抗震规范对砌体的抗剪强度规定采用 : f = ζ f ve N v ζ N σ 0 主拉应力理论 : 即当砌体在正应力和剪力共同作用下使主拉应力超过砌体的抗剪强度时, 则开裂破坏剪切摩擦强度理论 : 砌体的抗剪强度由砌体本身的抗剪强度和由正应力产生的摩擦力组成正应力影响系数 F

31 2 砌体截面抗震强度验算各种砌体进行抗震承载力验算时, 可选择不利 ( 即地震剪力较大墙体截面较小等 ) 墙段进行验算对于非配筋砌体, 截面的抗震承载力应满足 : V f γ ve RE 对于横向配筋砌体, 应按照下式计算 : RE A 1 V f A+ f A γ ( ζ ) ve s yh sh 对于混凝土小型砌块墙体, 应按照下式计算 : 1 V f ( ) ve A+ 0.3 ft Ac fy As ζ c γ RE

32 5.4 砌体结构抗震构造措施结构抗震构造措施的主要目的在于加强结构的整体性保证抗震计算目的的实现, 弥补抗震计算的不足尤其对于砌体结构, 采取合理的构造措施显的尤为重要常常包括以下几个方面 : 加强结构的连接设置钢筋混凝土构造柱合理布置圈梁重视楼梯间的设置

33 1. 构造柱的作用及设置历次地震震害表明, 设置钢筋混凝土构造柱可以明显改善多层砌体的抗震性能, 震害经验和试验研究得出的一致结论是 : 1 构造柱能提高砌体受剪承载力 10%~30% 左右, 提高幅度与墙体高宽比竖向压力和开洞情况有关 ; 2 构造柱主要是对砌体起约束作用, 使之有较高的变形能力 ;

34 外廊式和单面走廊式的多层房屋, 应根据房屋增加一层的层数, 按下表要求设置构造柱, 单面走廊两侧的纵墙均应按外墙处理横墙较少的房屋, 应根据房屋增加一层的层数, 按下表的要求设置构造柱当教学楼医院等横墙较少的房屋为外廊式或单面走廊式时, 应按前述要求设置构造柱, 但 6 度不超过四层 7 度不超过三层和 8 度不超过二层时, 应按增加二层的层数对待各层横墙很少的房屋, 应按增加二层的层数设置构造柱

35 2. 钢筋混凝土圈梁的主要功能及设置圈梁对房屋抗震有重要作用, 主要为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形构, 有效抵御来自任何方向的水平地震作用圈梁作为楼盖的边缘构件, 既提高了楼盖的水平刚度, 同时又箍住楼 ( 屋 ) 盖, 增强楼盖的整体性 ; 可以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, 同时提高了墙体的稳定性 ; 圈梁还可以减轻地震时地基不均匀沉陷对房屋的影响, 并减轻和防止地震时的地震裂隙将房屋撕裂

36 多层砖砌体房屋的现浇钢筋混凝土圈梁设置要求装配式钢筋混凝土楼屋盖或木屋盖的砖房, 应按表 5-13 的要求设置圈梁 ; 纵墙承重时, 抗震横墙上的圈梁间距应比表内要求适当加密现浇或装配整体式钢筋混凝土楼屋盖与墙体有可靠连接的房屋, 应允许不另设圈梁, 但楼板沿抗震墙体周边均应加强配筋并应与相应的构造柱钢筋可靠连接

37 3. 楼梯间构造措施顶层楼梯间横墙和外墙应沿墙高每隔 500mm 设 26 通长钢筋和 4 分布短钢筋平面内点焊组成的拉结网片或 4 点焊网片 ; 7~9 度时其他各层楼梯间墙体应在休息平台或楼层半高处设置 60mm 厚纵向钢筋不应少于 210 的钢筋混凝土带或配筋砖带, 配筋砖带不少于 3 皮, 每皮的配筋不少于 26, 砂浆强度等级不应低于 M7.5 且不低于同层墙体的砂浆强度等级楼梯间及门厅内墙阳角处的大梁支承长度不应小于 500mm, 并应与圈梁连接装配式楼梯段应与平台板的梁可靠连接,8 9 度时不应采用装配式楼梯段 ; 不应采用墙中悬挑式踏步或踏步竖肋插入墙体的楼梯, 不应采用无筋砖砌栏板突出屋顶的楼电梯间, 构造柱应伸到顶部, 并与顶部圈梁连接, 所有墙体应沿墙高每隔 500mm 设 26 通长钢筋和 4 分布短筋平面内点焊组成的拉结网片或 4 点焊网片

41 5.5 底部框架抗震墙砌体房屋地震作用底部框架抗震墙砌体房屋主要是指结构底部 1~2 层为钢筋混凝土框架, 沿纵横向布置部分抗震墙, 上部各层是由砌体墙承重的混合结构房屋此类建筑底层震害严重, 必须严格按要求设计施工

42 5.5.1 底部框架 - 抗震墙砌体房屋的结构布置结构布置时应沿纵横两个方向分别设置一定数量的抗震墙, 抗震墙应均匀对称布置, 不得采用纯框架布置方案上部结构的砌体墙体与底部的框架梁或抗震墙, 除楼梯间等处的个别墙段外均应对齐底部框架 - 抗震墙砌体房屋的抗震墙应设置条形基础筏式基础或桩基

43 5.5.2 底部框架 - 抗震墙砌体房屋的抗震计算 1. 水平地震作用及层间地震剪力计算及分配可采用底部剪力法计算结构地震作用为提高结构底部楼层的抗震能力, 抗震规范要求, 底层纵向和横向地震剪力设计值均应乘以增大系数 ξ V, 其值在 1.2~1.5 范围内选用, 地震剪力计算式如下 : V = ξα 1 V max 底部或底部两层框架和抗震墙设计时可按两道抗震防线思想进行结构在弹性阶段, 抗震墙未开裂, 其抗侧刚度较大, 可不考虑框架的抗剪贡献, 底层或底部两层的纵向和横向地震剪力设计值应全部由该方向的抗震墙承担, 并按各墙体的侧向刚度比例分配 G eq

44 结构进入弹塑性阶段后, 由于抗震墙开裂后刚度退化, 由抗震墙和框架柱共同承担地震剪力根据试验研究, 各构件剪力采取有效侧移刚度进行分配抗震墙开裂后, 钢筋混凝土墙的有效抗侧刚度约为弹性状态下抗侧刚度的 30%, 砖墙有效抗侧刚度约为弹性抗侧刚度的 20%, 框架柱的抗侧刚度不折减框架承担的地震剪力设计值为 : V fj = K 0.3 K K + K 框架柱的轴力应计入地震倾覆力矩引起的附加轴力, 上部砖房可视为刚体, 底部各轴线承受的地震倾覆力矩, 可近似按底部抗震墙和框架的有效侧向刚度的比例进行分配 fj WCj WMj fj V 1

45 2. 地震倾覆力矩计算及分配框架柱的轴力应计入地震倾覆力矩引起的附加轴力, 上部砖房可视为刚体, 底部各轴线承受的地震倾覆力矩, 可近似按底部抗震墙和框架的有效侧向刚度的比例进行分配当抗震墙之间楼盖长宽比大于 2.5 时, 框架柱各轴线承担的地震剪力和轴向力, 尚应考虑楼盖平面内变形的影响房屋底层的地震作用倾覆力矩计算公式 : n M = F H H u i i i= 2 ( ) F i 第 i 层受到的地震作用 ;H i 第 i 层距基底的高度 ;n 楼层数倾覆力矩 M u 按墙体和框架的转动刚度进行分配 1

46 一片抗震墙承受的倾覆力矩为 : 底层一片墙和一榀框架的平面转动刚度分别为 : r 1 r 1 K w = K f = h 1 h EI Cφ Iφ E Ax i i C Z Fx i i M w = K r w K + r w K 由倾覆力矩 M f 在框架中产生的附加轴力为 : r f M u 一榀框架承受的倾覆力矩为 : N ci M Ax f = i i =± 2 Ax i i M K f r w K + r f K r f M u K wr K f r 分别为底层一片抗震墙和一榀框架的自身平面内转动刚度 ;I I Φ 分别为抗震墙水平截面和基础底面的转动惯量 ; C z C Φ 分别地基抗压和抗弯刚度系数 ;A i F i 分别为一榀框架中第 i 根柱子的水平截面面积和基底面积 ;x i 第 i 根柱子到所在框架中和轴的距离

47 3. 钢筋混凝土托墙梁计算进行底框竖向荷载计算时, 认为上部楼面荷载, 承重墙体重量, 全部传至底框架, 再由梁传给柱底框梁要承受多层荷载, 底框梁的断面和配筋很大一般情况下 700, 跨度大一些可达 900~1000 实际上框架梁与上部墙体为一组合构件, 考虑墙体与梁的共同作用, 设计更趋合理, 经济指标也会有所改善抗震规范考虑到大震时墙体严重开裂, 墙梁作用难以存在, 暂不考虑共同作用采用折减荷载的方法 : 托墙梁弯矩计算时, 由重力荷载产生的弯矩, 四层以下全部计入, 四层以上可有所折减, 取不小于四层数值计入组合 ; 托墙梁剪力计算时, 由重力荷载产生的剪力不折减

48 4. 抗震构造措施 (1) 底层框架框架应遵循强柱弱梁的设计原则, 目的是使塑性铰首先出现在梁端, 如果塑性铰首先出现在柱子上, 那么结构是柱先跨墙, 梁随之跨墙, 整个房屋倒塌底框大梁, 承受竖向荷载引起的弯矩大, 截面大, 配筋多, 从截面抗弯计算上, 满足强柱弱梁是困难的, 只有在构造上, 特别是箍筋的配置上尽量实现强柱弱梁底框的破坏全部是柱坏, 说明底框一定要配置一定数量剪力墙托墙梁截面宽度不宜小于 300mm, 截面高度不宜小于跨度 1/10; 箍筋两端局部加密 ; 梁截面沿高度配腰筋, 不应小于 2φ14, 间距不应大于 200mm, 考虑墙梁作用中和轴上升梁可能大部分截面受拉底框柱为薄弱环节, 有人提出应沿柱高全部箍筋加密, 弥补强梁弱柱的欠缺现规范按框架柱加密

49 (2) 抗震墙混凝土抗震墙 : 底部钢筋混凝土抗震墙应设带边框抗震墙, 上下有梁两侧有柱底框中剪力墙往往为高宽比小于 1.0 的低矮墙, 其破坏状态为剪力破坏当剪力墙高宽比小于 1.0 时, 宜设为带边框开竖缝钢筋混凝土剪力墙, 竖缝两侧设暗柱, 暗柱截面范围为 1.5 倍墙厚, 暗柱纵筋 4φ16, 箍筋 φ8, 间距不宜大于 200, 竖缝 1.0 倍梁高达框梁箍筋加密, 箍筋间距 100 砖抗震墙 : 先砌墙后浇框架梁柱, 使得楼层地震荷载能够通过大梁底端传给抗震墙 (6 7 度总层数不超过 5 层 )( 新规范 ) 沿柱每隔 500 配 2φ6 拉结筋, 沿全长布置, 配筋砌体墙体半高处设水平系梁, 梁高 60; 墙长大于 5.0m, 墙中加构造柱

50 (3) 过渡层楼盖过渡层楼盖呈上启下, 需要造它传递水平地震剪力, 使水平地震作用在抗震墙和框架之间得以分配, 要求楼板具有较大水平刚度, 另外过渡层楼板做为上层砖房的底部边缘构件, 还负担着上面各层水平力引起的倾覆力矩在底层框架和抗震墙之间分配, 要求具有一定的整体性应采用现浇钢筋混凝土楼盖, 板厚不宜小于 120mm, 当底框榀距大小 3.6m 时, 板厚采用 140mm, 应少开洞, 洞口小于 800, 洞口边设边梁在水平荷载作用下, 过渡楼层纵向墙体窗台标高范围内出现水平裂缝, 为提高过渡楼层抗弯能力, 可在过渡层外纵墙窗台板下边设置 60mm 厚,240mm 宽配筋混凝土带

51 (4) 上部砖房 : 过渡层构造柱应加强, 构造柱配筋 6 7 度时不宜小于 4φ16,8 度不宜小于 6φ16, 纵筋锚入框架柱内其他层构造柱同砖房过渡层圈梁应纵横每个轴线设置, 配筋不少于 6φ10, 高度 240, 宜在圈梁端 500 范围局部加密顶层截面高度 240, 不应小于 180,4φ10

52 本章小结 1. 砌体房屋震害特点 2. 砌体结构的建筑布置与结构选型原则 3. 砌体房屋计算简图地震作用的确定 4. 层间地震剪力的分配原则 5. 砌体结构抗震计算方法和基本步骤 6. 圈梁构造柱的作用及设置原则 7. 底部框架 - 抗震墙结构地震剪力的计算及分配方法

53 本章结束, 谢谢!

7 第7章砌体结构房屋抗震设计.ppt

7 第7章砌体结构房屋抗震设计.ppt (Design of Masonry Structures) 7 砌体结构房屋抗震设计湖南大学土木工程学院砌体结构房屋常见震害墙体交叉裂缝产生原因 : 主拉应力过大裂缝形状 : 倾斜阶梯状且交叉出现部位 : 内外纵横墙窗间墙分布规律 : 底层墙体比顶层严重 2 转角墙及内外墙连接处的破损产生原因 : 转角处分担地震作用较多裂缝形状 : 竖向裂缝三角形或菱形出现部位 : 内外墙连接处房屋转角分布规律