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饯粽仰
7 years ago
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1 地震作用下砌体结构的震害特点研究贾文沛, 陈波武汉理工大学土木工程与建筑学院, 武汉 (430070) 摘要 : 本文对多层砖混房屋常见震害进行了分析, 包括房屋的倒塌和墙体的裂缝, 同时根据砌体结构的抗震特点, 从结构选型平立面布置砌体尺寸要求以及其它构造方面, 提出了多层砖房抗震的一些改进措施保证砌体整体性抗震性关键词 : 砌体房屋 ; 震害 ; 抗震设计 ; 构造柱中图分类号 :TU311.1 文献标识码 :A 0 引言多层砖混房屋是我国民用建筑的主要结构类型之一, 由于其原材料来源广泛, 易于就地取材, 具有良好的耐久性和耐火性, 以及较好的化学稳定和大气稳定性, 且保温隔热隔声性能较好, 与混凝土结构相比, 可以节约水泥和钢筋, 并且砌筑砌体时不需模板及特殊的技术设备当采用砌块或大型板材作墙体时, 可以减轻结构自重, 加快施工进度, 进行工业化生产和施工在我国城镇建设中, 这类房屋的数量最多分布最广, 与其他结构形式相比有其自身的优点在今后相当一段时期内, 虽然框架剪力墙等其他结构形式迅猛发展, 但由于我国的经济发展水平及人口环境等的现实情况, 多层砖房仍将是多数城镇民用建筑的主要结构形式, 在经济不发达地区尤其如此但是, 这类房屋建筑, 由于是由脆性材料的粘土砖和砂浆砌筑而成, 在未经合理的抗震设计时, 其抗震性能一般来说是较差的从 60, 70 年代的唐山地震海城地震东川地震到 80, 90 年代的云南禄劝地震云南普洱地震包头地震, 以及最近发生的汶川地震等历次破坏性地震中, 多层砖房遭到不同程度的破坏尤其是这次四川省汶川地震造成人遇难,18222 失踪, 多数房屋倒塌, 造成了极大的生命财产损失 [1] 虽然砖混房屋抗震性差, 结构自重大, 但是其造价便宜, 同时经过合理设计, 特别是加了圈梁构造柱后其抗震性能显著提高本文通过对结构的震害分析, 研究其破坏机理, 对以后的设计以指导作用本文首先分析砌体的常见震害及其原因, 然后对砌体房屋的设计给与建议 1 砌体震害程度及主要因素 1.1 墙体的震害程度分类多层砖房的震害主要是砖墙体的剪切破坏按其震害程度可分为五类 : 倒塌墙体大块掉落直至整片墙体倒塌 ; 严重破坏整个墙体出现交叉或斜向裂缝, 并有明显的滑移错位现象, 也包括墙体的碎裂, 局部墙体掉落 ; 中等破坏墙体出现贯通的交叉或斜向裂缝 ; 轻微破坏墙体表皮开裂或因局部应力集中而产生短裂缝基本完好也包括完全无损的墙体 1.2 影响震害程度的主要因素 (1) 所处的烈度烈度分区区域性震害的轻重主要受发震构造和大范围地形地质条件 -1-

2 的影响, 一般情况下, 离发震构造带越近的区域烈度越高, 房屋的震害越重, 越远的越轻 (2) 场地条件在同一烈度区内, 出现小范围的烈度异常以及房屋震害的轻重悬殊现象, 与工程地质条件的局部变化有关 (3) 房屋的层数结构条件大体相同的砖房, 层数对震害的影响明显, 层数越多, 震害越严重 (4) 房屋的结构抗震性能在相近的外界条件上, 结构的破坏程度主要在于结构的抗震性能由于外界条件不可改变, 因此提高房屋的抗震性能是减小震害的主要措施 2 结构破坏原因地震时, 有震源释放能量, 有一部分以弹性波的形式向外传播, 称为地震波地震波引起地面振动, 通过基础传给建筑物, 引起建筑物振动, 当地震引起的振动强度超过建筑物的抗震能力时, 就会使建筑物发生破坏地震引起的建筑物破坏情况主要有如下几种 [4] : (1) 受震破坏 1) 承重结构承载力不足或变形过大而造成的破坏地震时, 地震作用附加于房屋上, 使其内力和变形增大较多, 并且往往要改变其受力形式, 导致房屋因承载力不足或变形过大而破坏 2) 结构丧失整体性而造成破坏结构构件的共同工作主要是依靠各构件之间的连接及各构件之间的支撑来保证当地震作用下, 若节点强度不足延性不够锚固质量差等就会使结构丧失整体稳定性而破坏 (2) 地基失效引起的破坏地震时, 在强烈的振动下, 有可能由于地基设计的问题而引起上部结构发生震害对软土地基有可能造成不均匀沉降, 如果不处理地震时会造成上部结构发生震害, 对含水饱和的砂土或粉土, 在地震时有可能液化, 导致地面下降, 使地基失去稳定, 而引起上部结构的倾斜破坏 (3) 次生效应引起的破坏地震引起的次生灾害主要有水灾火灾毒气污染滑坡山崩和泥石流等 3 砌体的震害特点 3.1 倒塌形态多层砖房的倒塌形态很多, 但主要分为两类, 即全部倒塌局部倒塌 (1) 房屋的整体倒塌当强地震力作用时, 结构整体性好, 而底层墙体因受剪力最大, 在强度不足的情况下, 底层先倒塌而使整栋房屋倒塌 ; 在地震力特别强时, 房屋受到较大的竖向作用力, 底层承重墙体由于承载力不足而整体倒塌 ; 屋顶木结构和砖墙连接不牢, 而使屋盖整体坍塌或者顶层设置空旷大房间而使屋盖过重, 在地震力下使外墙承载力不足而倒塌 ; 上层加盖的多层砖房, 在接合处上下层没有可靠连接使其抗剪承载力过低, 在地震力的作用下而产生滑移坍塌, 如图

3 图 1 加盖层的倒塌图 2 加盖层的倒塌 (2) 局部倒塌一端倒塌而另一端未倒塌, 这主要是地基的不均匀, 在受地震力时由于较弱地基承载力不足引起局部倒塌 ; 采用预制板屋面的房屋, 钢筋混凝土梁和横向承重墙振动不一致, 搭在上面的楼板容易脱落, 使此处发生局部倒塌 ; 对于突出屋面的单间房屋楼梯间等平面或立面上有显著变化的部位由于强度低并且整体性差, 在地震作用下往往会引起局部的倒塌见图 3 图 3 二层整体倒塌图 4 外墙倒塌房屋采用两种结构形式, 不能共同工作, 砖墙和混凝土柱的延性不一样, 受振动时, 墙体延性差而首先破坏 ; 横墙承重内部结构整体性较好而内外墙连接不好的多层砖房, 容易出现外墙倒塌, 而内墙和楼板未倒, 见图 4-3-

4 图 5 楼梯间墙体裂缝图 6 墙体的竖向裂缝 3.2 裂缝特点受震破坏产生的裂缝 (1) 墙体交叉裂缝在房屋的楼梯间出水平面的墙体出现交叉斜裂缝, 是由于墙体刚度突变产生鞭梢效应, 使墙体受剪承载力过大, 出现裂缝, 见图 5 房屋纵向窗间墙上普遍出现交叉裂缝, 是由于在水平地震力作用下产生剪切破坏出现斜裂缝, 之后由于地震的反复作用, 墙体同时还受到拉压扭转弯折作用而产生, 如图 7 8 图 7 墙体交叉裂缝图 8 墙体交叉裂缝 (2) 墙体竖向裂缝窗下墙两侧的竖向裂缝, 由于窗间墙给窗下墙压力作用, 在窗下角产生较大的剪应力集中, 引起下窗角开裂窗间墙与窗下墙在长度上有明显差异, 两者的约束又不同, 形成收缩差, 这种收缩差产生的剪应力形成窗下角斜裂缝, 同时在窗下墙产生拉应力, 形成竖向裂缝如图 9 10 发生在纵横墙交接处贯通墙体的竖向裂缝, 有的是由于竖向地震作用下, 纵横墙体因荷 -4-

5 载不同引起竖向变形差, 使墙体在连接处产生剪应力, 当剪应力超过砌体的抵抗应力强度时发生直剪破坏 ; 或是由于水平地震作用力下纵横墙连接处被拉脱 ; 是由于连接处受到两个方向的地震作用, 受力复杂, 容易产生应力集中, 山墙受纵墙推力而产生裂缝, 见图图 9 门上墙体竖向裂缝图 10 窗上墙体竖向裂缝图 11 纵横墙交接处墙体裂缝图 12 山墙体裂缝梁支座下墙体出现的竖向裂缝, 由于在竖向地震力作用下梁支座处产生过大的局部压力超过墙体的承载力而产生 ; 在有圈梁的承重墙上出现的多道短的竖向裂缝, 贯通墙与圈梁, 是由于竖向地震力作用下, 砖墙在竖向受弯折, 墙体下部受拉, 或是在水平地震力作用下外墙向外倾斜使横墙受拉, 砖墙和圈梁受拉弯作用时出现的破坏现象 (3) 墙体水平裂缝墙体水平裂缝大多发生在外纵墙的窗口 ( 门口 ) 上下皮砖处当房屋纵墙承重, 横墙间距大而屋盖的刚度又较弱时, 则垂直于纵墙方向的地震力迫使纵墙在刚度小的方向发生横向弯曲, 从而在窗户的上下皮砖砌体处产生水平裂缝 ; 或者在强烈竖向地震作用下, 楼盖受力颠抛, 墙体在截面变化处由于墙体截面过小而受拉破坏, 见图

6 图 13 窗间墙水平裂缝图 14 墙体水平裂缝 (4) 外墙中部外鼓在竖向地震力作用下由于整体性较好的屋顶和首层地面的箍紧作用, 墙体上下端没向外倾斜而中部受压向外鼓出 ; 水平方向中部外鼓, 这是因为中部外墙与横墙的连接比两端山墙弱, 在水平地震力作用下向外鼓出 (5) 伸缩缝沉降缝侧的墙体的破坏在强烈的水平地震力作用下, 墙体的水平振幅很大, 当缝距太小时, 两侧墙体互相碰撞挤压而破坏 (6) 女儿墙倒塌采用现浇屋面的房屋的女儿墙在地震中, 往往破坏很严重, 出现整体倒塌主要原因是 : 在正常使用时, 在温度应力的作用下产生了竖向裂缝和现浇混凝土之间的水平裂缝, 整体性差, 承载力很低 (7) 楼梯间墙体的破坏由于楼梯间墙体平面外的约束差, 同时平面刚度较大, 因而分担承受的地震作用也大, 且楼板在此处断开, 空间刚度差, 特别是对于顶层楼梯间, 层高大, 突出屋面, 平面外约束减小, 稳定性差, 震害严重 (8) 其它典型震害对于采用砖木结构的屋盖的破坏, 屋面的小青瓦由于整体性差, 在地震作用下, 由于辫梢效应, 很容易松动, 脱落如图 15 图 15 瓦屋面的破坏图 16 栏杆的倾覆 -6-

7 装配式楼板和屋盖上沿梁的走向的水平裂缝, 是由于在竖向力的作用下, 预制板的挠曲, 在梁顶支座处翘起而产生的栏杆的倾覆, 是由于在在地震力的作用下栏杆与墙体缺乏可靠的连接, 平面外弯曲而破坏, 如图基础沉降产生的裂缝 (1) 竖向裂缝底层窗台下的竖向裂缝, 是因为窗间墙下基础的沉降量大于窗台墙下基础的沉降量, 使窗台墙中部产生反向弯曲变形而开裂, 窗角受剪产生斜裂缝房屋顶部的竖向裂缝, 经常出现在地基突变处, 原因是房屋的一端沉降量大, 使墙顶形成较大的拉应力而开裂图 17 正八字裂缝图 18 反八字裂缝 (2) 水平裂缝窗间墙上的水平裂缝都是在每个窗间墙的上下两对角处成对出现, 沉降大的一边裂缝在下, 沉降小的一边裂缝在上缝宽都是靠窗口处较大, 向窗间墙的中部逐渐减小 (3) 八字缝房屋中部的沉降量大于两端的沉降量, 房屋形成正向弯曲而造成正八字缝, 如图 17 房屋中部的沉降量小于两端的沉降量, 房屋形成反向弯曲而造成反八字缝, 如图 18 (4) 斜裂缝当房屋地基一端软弱或者房屋一端层数高, 会造成这端的沉降量大而引起房屋纵墙上出现斜裂缝当房屋平面为 L 形凹形, 在房屋纵横交接部位的基础密集, 地基应力重叠, 次部位的沉降大, 而使房屋出现斜裂缝 5 震害原因分析砌体结构房屋在地震中往往破坏严重, 究其原因, 主要有以下几个方面 [5] : 1. 场地条件房屋场地的选择直接决定房屋的震害程度由于地质构造不同, 场地卓越周期不同, 当场地的卓越周期与多层房屋的自振周期相近时, 地基与房屋产生共振作用, 加大了震害, 更容易造成房屋的严重破坏 2. 抗震设计不合理 -7-

8 (1) 抗震缝宽度不够两栋房屋之间或 L T 形等房屋在结合部位没有设置抗震缝, 或抗震缝宽度不够, 其在地震作用下两栋房屋的振动频率不一样, 阵型可能也不一样, 所以彼此之间产生相互碰撞, 使相邻部位震害明显加重 (2) 房屋的平立面布置不规则房屋承重墙布置不对称, 使房屋平面刚度不均匀, 使各部分连接处的变形突然变化而产生应力集中 ; 房屋的刚度中心和质量中心不重合, 地震时使房屋绕刚度中心产生扭转而加重震害 (3) 竖向刚度突变有的房屋上面局部多加一层, 因鞭梢效应严重破坏 (4) 未设置圈梁和构造柱 3. 施工质量的影响 (1) 砖或砂浆的强度等级低于设计值 (2) 施工过程中工人责任心不强砌筑过程中砌体没有浇水, 使砂浆中的水分很快被砌体吸收, 影响砂浆的保水性, 从而降低砂浆的粘结强度 ; 砌筑时砂浆厚度过厚, 降低砌体结构强度 (3) 砌筑方法错误在接头处留的都是直槎, 并且没有设置拉接筋, 降低墙体的整体性 4. 竖向地震作用对于接近震中地区的房屋, 竖向地震作用的影响不能忽视, 对于受竖向地震作用明显的房屋, 表现为上部比下部震害严重 6 减轻震害的措施根据地震作用下砌体结构的震害特点, 应该采取各种构造措施来减小震害主要有以下 [8] 几个方面 [10] : (1) 选择合理的场地尽可能选择土质密实均匀场地, 避开不利的场地 ; 房屋设置地下室可有效减小震害, 但是不宜建造部分地下室 (2) 控制多层楼房的高度和高宽比房屋结构条件相同的房屋, 层数对震害的影响明显, 层数过高将使砌体截面增大, 从而导致结构自重加大, 震害加重房屋的高宽比过大, 则由房屋整体弯曲在墙中产生的附加应力将增大, 加重震害 (3) 合理的布置结构平面布置原则 : 结构平立面布置应合理尽量使质量中心质量中心和刚度中心重合, 平面规整刚度均匀体型简洁分块合理以避免结构在地震作用下结构局部产生应力集中墙体是承担地震作用的主要构件, 墙体的布置和间距对房屋的空间刚度和整体性能影响很大, 对于现浇楼盖通常要小于 15m, 对于预制楼盖通常小于 11m 结构布置应优先使用横墙承重或纵横墙共同承重的方案 (4) 楼梯间的处理楼梯间的刚度一般比较大, 受到的地震作用通常比其他部位大, 同时, 其顶层的层高又较大, 且墙体往往受到嵌入墙内的楼梯段的削弱, 所有, 其震害比较严重因此应该加强楼梯间的墙体, 不应采用无筋砖砌栏杆 (5) 加强楼面的整体性楼板整体性对与震害轻重关系很大, 楼面是主要的水平联系构件, 楼板整体性好, 能与 -8-

9 墙体共同工作, 发挥结构的空间作用, 有利于抗震, 尽可能采用整体楼板或加强预制板的整体联系 (6) 构造柱的设置砖砌体设置构造柱后, 抗剪能力能提高 10~20%, 变形能力可大大增大, 延性可提高几倍在墙体达到破坏极限状态下, 由于钢筋混凝土构造柱和圈梁的约束, 使破坏的墙体中的碎块不易散落, 从而能保持一定的承载力, 以支撑楼盖不发生突然倒塌构造柱的设置要求, 见表 1 表 1 构造柱的设置要求房屋层数各设置的部位 6 度 7 度 8 度 9 度四五三四二三 7 8 度时, 楼电梯间四角六 ~ 八五六四三隔开间横墙与外墙交接处, 山墙与内纵墙交接处 ;7~9 度处, 楼电梯间四角七五六三四外墙四角错层部位横墙与外纵墙交接处, 较大洞口两侧, 大房间内外墙交接处内墙与外墙交接处, 内墙局部较小墙垛处 ;7~9 度, 楼电梯间四角 9 度时内纵墙与横墙交接处钢筋混凝土构造柱必须先砌墙, 后浇柱, 构造柱与墙连接处宜砌成马牙槎, 并沿墙高每隔 500mm 设拉结钢筋, 并深入墙体不少于 1m. 其构造筋见文献[4] (7) 圈梁的设置圈梁可加强墙体间以及墙体与楼盖间的连接, 在水平方向将装配式楼屋盖连成整体, 因而增强了房屋的整体性和空间刚度, 同时圈梁能显著提高楼盖水平刚度, 提高房屋抗震性能, 减轻震害圈梁的设置要求, 见表 2. 设置部位及配筋墙类配筋间距外墙及内纵墙内横墙表 2 圈梁的设置及配筋要求烈度 6 度 7 度 8 度 9 度屋盖处及隔层楼盖处屋盖处及每层楼盖处屋盖处及每层楼盖处同上 ; 屋盖处间距不应大于同上 ; 屋盖处间距不应大于同上, 各层所有横 7; 楼盖处间距不应大于 15; 7; 楼盖处间距不应大于 7; 墙构造柱对应部位构造柱对应部位最小纵筋 4φ 8 4φ 10 4φ 12 最大箍筋间距 (8) 房屋的局部尺寸限值砌体房屋中某些局部尺寸太小时, 地震时往往首先遭到破坏, 会导致整个结构的破坏包括承重窗间墙的最小宽度外墙尽段至门窗洞边的最小距离内墙阳角至门窗洞边的最小尺寸等房屋局部尺寸的要求, 见表 3. 表 3 房屋局部尺寸限值部位烈度 6 度 7 度 8 度 9 度承重窗间墙最小宽度承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离非承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离内墙阳角至门窗洞边的最小距离无锚固女儿墙 ( 非出入口处 ) 最大高度 -9-

10 7 结语砌体结构既是一种广泛应用的结构形式, 又是一种抗震性能较差的结构形式由于其自身特点我们不可能彻底淘汰它, 相反, 随着建筑业的蓬勃发展, 新型墙体材料也不断涌现, 如从欧美引进的混凝上小型空心砌块就是其中的一种 ; 另外, 结合就地取材的原则生产的各种地方性砌体材料, 如蒸压类和烧结类的非粘上多孔砖及实心砖, 这更为砌体结构的应用扩大了领域和范围只有深入研究, 提高它的抗震性能, 不断赋子砌体结构新的内容新的理念, 才能使砌体结构具有更好的抗震性能和安全性能我们相信在将来新的设计理论的广泛应用, 砌体结构将得到更深的发展参考文献 [1] 刘旋, 金建洲, 赵红霞. 砌体房屋震害分析及抗震的新发展.2006,15(2):7~9. [2] 砌体结构设计规范.(GB ). 北京 : 中国建筑工业出版社,2002. [3] 唐岱新. 砌体结构设计规范理解与应用 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2002. [4] 施楚贤. 砌体结构理论与设计 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,1992. [5] 朱伯龙. 砌体结构设计原理 [M]. 上海 : 同济大学出版社,1991. [6] 赵党书, 曹净, 赵惠敏. 云南农村建筑的抗震问题探讨. 四川建筑科学研究,2006,32(5):161~163 [7] 刘梅梅, 鲍安红, 杨玉鹏. 山东农村建筑抗震设防的研究. 西南师范大学学报 ( 自然科学版 ),2007,32 (4):111~114. [8] 建筑抗震设计规范.(GB ). 北京 : 中国建筑工业出版社,2001. [9] 贾英杰, 袁泉, 姚谦峰. 砌体结构抗震分析与防治对策研究. 工程抗震,2001,(1):16~21. [10] 葛学礼, 贾抒. 江西九江瑞昌 M5.7 地震房屋震害分析. 工程抗震与加固改造,2006,28(1):1~4. [11] 张耀军, 崔千祥, 张新军. 山东民房抗震设防问题探讨. 工业建筑,38:422~424. [12] 陆鸣. 农村民居抗震指南 [M]. 北京 : 地震出版社,2006 [13] 冯玉强, 宋增红. 村镇房屋建设中的抗震问题. 工程质量,2008,1:9~11. [14] Wang Yumei,Luo Qifeng Study on ideological weakness of seismic resistant design based on the earthquake damage to masonry buildings Journal Seismological Research, 2000,23 (3):361~367 Study on the earthquake damage to masonry building Jia Wenpei, Chen Bo Institude of Civil Engineering and Architecture Wuhan University of Technology, Wuhan (430070) Abstract In this paper,the earthquake damages of composite brick-concrete multi-story building are analyzed,which include the collappse of building and the crack on a well, at the same time,according to the characteristics of aseismatic performance masonry, the paper analyzes in detail the requirement of aseismatic design in term of the structure of the models,plan-upright arrangement, masonry size and other requirement,some improved measures for multi-story masonry building are presented to ensure the integrity and aseismatic performance of masonry. Keyword: masonry house;harm of earthquake;earthquake resistance design;structure column 作者简介 : 陈波, 男, 副教授, 硕导, 主要从事结构设计理论研究贾文沛, 男, 硕士研究生, 主要从事结构抗震理论研究 -10-

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