浅谈多层砌体结构房屋的抗震

其米旺姆

[摘 要]去年在四川发生的汶川8级地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失。使得人们对日常生活和居住的建筑的安全性有了更高的关注。据统计,砌体结构在整个建筑工程中,占80%以上。由于砌体结构材料的脆性性质,其抗剪、抗拉和抗弯强度很低,所以砌体房屋的抗震能力较差。在国内外历次强烈地震中,砌体结构破坏率是相当高的。如何提高砌体结构房屋的抗震能力,将是建筑抗震设计中一个重要课题。

[关键词]砌体结构;抗震设计;震害

砌体房屋是指用普通黏土砖、承重黏土空心砖、混凝土中小型砌块、粉煤灰中小型砌块和毛石等块材,通过砂浆砌筑而成的房屋。砌体结构在我国建筑工程中,特别是在住宅、办公楼、学校、医院、商店等建筑中,获得了广泛的应用。据统计,砌体结构在整个建筑工程中,占80%以上。由于砌体结构材料的脆性性质,其抗剪、抗拉和抗弯强度很低,所以砌体房屋的抗震能力较差。在国内外历次强烈地震中,砌体结构破坏率是相当高的。1923年日本关东大地震,东京约有7 000幢砖石房屋,大部分遭到严重破坏,其中仅有1 000余幢平房可修复使用。又如,1948年苏联阿什哈巴地震,砖石房屋破坏率达70%～80%。我国近年来发生的一些破坏性地震,特别是1976年的唐山大地震,砖石结构的破坏率也是相当高的。据对唐山烈度为10度及11度区123幢2～8层的砖石结构房屋的调查,倒塌率为63.2%;严重破坏的为23.6%,尚可修复使用的为4.2%,实际破坏率,高达91%。另外根据调查,该次唐山地震9度区的汉沽和宁河,住宅的破坏率分别为93.8%和83.5%;8度区的天津市区及塘沽区,仅市房管局管理的住宅中,受到不同程度损坏占62.5%;6～7度区的北京,砖混结构也遭到不同程度的损坏。另去年在我国四川汶川发生的历史罕见的大地震,震级达到里氏8级,最大烈度达到11度。据报道,受灾特别严重的北川县老县城的80%、新县城60%以上建筑垮塌,北川县城基本已经被夷为平地。在此次地震灾区完全垮塌的房屋中,砌体结构占了绝大多数。

从我国国情出发,在今后一定时间,砌体结构仍然将是城乡建筑中的主要结构形式之一。因此,如何提高砌体结构房屋的抗震能力,将是建筑抗震设计中一个重要课题。

一、震害及其分析

人们常说,地震来袭时地动山摇,房屋随之倒塌。确实,由于建筑物依附在地球表面,建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。地震波传播方式有纵波、横波、面波。

纵波使建筑物上下颠簸,力量非常大,建筑物来不及跟着运动,使底层柱子和墙突然增加很大的动荷载,叠加建筑物上部的自重压力,若超出底层柱、墙的承载能力,柱、墙就会垮掉。底层垮掉后,上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样,又使第二层压坏,发生连续倒塌,整个建筑直接“坐”下来,原来的第三层瞬间变为“第一层”。

横波使建筑物水平摇摆,相当于对建筑物沿水平方向施加了一个来回反复的作用力,若底部柱、墙的强度或变形能力不够,就会使整栋建筑物向同一方向歪斜或倾倒,在震区常常看到这种现象。

面波使建筑物扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着“旋儿”过来的,也有的情况是因为面波到达建筑物两端早晚的时间差引起的。这种情况引起建筑物扭动。建筑物一般抗扭能力较差,很容易扭坏。震区有的房子角部坍塌,多属这种情况。

一旦碰到上下颠、左右摇、扭转,三种方式共同发生,破坏力就更加可怕。在离震中较近的范围,往往三种方式交织作用,所以破坏力很大。此外,每个建筑物都有自己特定的自振频率,如果这个频率与地震作用的频率接近,还会引起类似共振的效应,那样带来的破坏力就更可怕了。

在强烈地震作用下,多层砌体房屋的破坏部位,主要是墙身和构件的连接处,楼盖、屋盖结构本身的破坏较少。下面根据历次地震的宏观调查结果,对多层房屋的破坏规律及其原因作一简要说明。

1.墙体的破坏。在砌体房屋中,与水平地震作用方向平行的墙体是主要承担地震作用的构建。这类墙体往往因为主拉应力强度不足而引起斜裂缝破坏。由于水平地震反复作用,两个方向的斜裂缝组成交叉型裂缝。这种裂缝在多层砌体房屋中一般规律是下重上轻。这是因为多层房屋墙体下部地震剪力大的缘故。

2.墙体转角处的破坏。由于墙角位于房屋近端,房屋对它的约束作用减弱,使该处抗震能力相对降低,因此较易破坏。此外,在地震过程中当房屋发生扭转时,墙角处位移反应较房屋其它部位大,这也是造成墙角破坏的原因。

3.楼梯间墙角的破坏。楼梯间除顶层外,一般层墙体计算高度较房屋其他部位墙体小,其刚度较大,因而该处分配的地震剪力大,故容易造成震害。而顶层墙体的计算高度又较其他部位大,其稳定性差,所以也易发生破坏。

4.内外墙连接处的破坏。内外墙连接处是房屋的薄弱部位,特别是有些建筑内外墙分别砌筑,以直槎或马牙槎连接,这些部位在地震中极易拉开。造成外纵墙和山墙外闪、倒塌等现象。

5.楼盖预制板的破坏。由于预制板整体性差,挡板的搭接长度不足或无可靠拉结时,在强烈地震过程中极易塌落,并常造成墙体倒塌。

6.突出屋面的屋顶间等附属结构的破坏。 在房屋中,突出屋面的屋顶间(电梯机房、水箱间等)、烟囱、女儿墙等附属结构,由于地震“鞭端效应”的影响,所以一般较下部主体结构破坏严重,几乎在6度区就发现有所破坏。特别是较高的女儿墙、出屋面的烟囱,在7度区普遍破坏,8～9度区几乎全部损坏或倒塌。

二、抗震设计

砌体结构就其材料性能而言,确实有它的劣势,但是多层房屋并非砌体结构就不能抗震。在此次地震灾区完全垮塌的房屋中,砌体结构占了绝大多数,但是未倒塌且在地震作用下表现优秀的砌体结构房屋也不在少数,如在去年的汶川大地震中北川县城、汉旺镇内不少五、六层的砌体结构房屋并未坍塌,有些表现良好,只是不同程度地出现了一些裂缝。如北川县城内一栋60年代修建的老建设局办公楼,共4层,震后墙面竟未发现裂缝;汉旺镇近几年修建的一个6层楼家属住宅区,震后无一栋出现严重破坏。这是因为,凡是严格按照我国现行“抗震设计规范”设计、砌体结构设计规范、施工保证质量的砌体结构房屋,就能经受住本次罕遇地震的考验。因此笔者认为,在多层砖混房屋抗震设计上应注重以下几方面。

1.砌体房屋的层数及高度的限制。历次震害证明,砌体房屋的层数越多,高度越高,它的地震破坏程度(下转93页)(上接91页)越大,所以控制砖砌体房屋的总高度及总层数对减少地震时带来的震害有很大的作用。现行建筑抗震设计规范(GB50011—2001)对多层砌体房屋的总高度和总层数有了强制性规定,在设计中房屋总高度及总层数应满足上标的限值,因为楼盖重量占房屋总重的一半左右,房屋总高度相同,多一层楼盖就意味着增加半层楼的侧向地震作用,同时加大对底部的倾覆力矩。在中、强地震作用下,因倾覆力矩过大,使得底部墙体产生过大的压力或剪刀而被破坏,故此减轻自重、减少层数、降低层高是削弱地震影响的有效途径之一。

2.砌体房屋的的体形限制。体形规则、均匀、对称的房子抗震能力强。上大下小头重脚轻的房屋体形叫竖向不规则,平面局部凸出的L形、“丁”字形体形叫平面不规则,一头沉一头轻的叫扭转不规则,不规则建筑抗震能力都较差。

3.增强砌体结构的整体性及刚度。在地震中多层砌体结构的纵、横向地震作用主要由相应墙体承担。因此,纵、横墙的合理布置且控制横墙的间距,可控制纵、横墙的侧向变形,增强了空间刚度和整体性,对承受纵、横两个方向的水平地震作用及抗弯、抗剪都非常有利。墙体布置时,应尽量采用纵墙贯通的平面布置,而当纵墙不能贯通布置时,则应在墙体交接处采取加强措施。而横墙最大间距就是为了满足楼盖对传递水平地震所需的刚度要求。其中,在8度设防时,现浇或装配整体钢筋混凝土楼盖板的多层砌体建筑的横墙最大间距为15米。如横墙间距过大时,纵墙会因过大的层间变形而产生平面的弯曲破坏。有效增强砌体结构的整体性及刚度的措施有纵、横墙的合理布置,建筑的楼盖为现浇,增加墙体面积及提高砂浆的强度,设置圈梁及构造柱等。

在多层砌体建筑中设置水平圈梁,可加强内外墙的连接,增强建筑的整体性。特别是屋盖和基础顶两处的圈梁的设置具有提高建筑的竖向刚度和抗御不均匀的沉降能力。由于圈梁的约束作用使楼盖与纵、横墙构成箱形结构,能有效地约束装配板材的散落,使砖墙发生平面倒塌可能性大为降低,以充分发挥各片墙体的抗震能力。还有,为了提高墙体的抗震能力,可在抗震力不够的承重墙段内配置水平钢筋,使地震力由砌体及水平钢筋共同承担。一些试验表明,配筋多孔砖墙体可以有效地提高墙段的抗震性能,减少脆性,增加延性,增强砖混房屋的抗震性能。

4.房子的建筑材料和施工质量。对建筑物的防震抗震,我国在相应的法律法规中都有着明确的规定。但是,在具体执行上,建筑物的防震抗震很难全部落实到位。不少建筑设计、施工部门缺乏防震意识,一些建筑物等工程建设项目不按防震抗灾标准设计建设,甚至存在着降低抗震设计标准的现象,施工中也缺乏质量监督。这是很多建筑物在地震面前不堪一击的最主要原因。因此,混凝土标号够不够,钢筋是否合格,有没有偷工减料等,是否照图施工、技术是否到位等,规划、设计、施工、监理四大环节都很重要,都要严格把关,这一切符合要求了,房屋质量就会好。

多层砌体结构房屋可以通过建筑上的合理布局,结构上的构造措施等多种方法来弥补砌体房屋脆性材料在抗震方面的不足,从而满足抗震要求,达到“小震不坏,中震可修,大震不倒”的设防目标。

参考文献:

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[2]周德源.砌体结构抗震设计[M]. 武汉理工大学出版社.

[3]刘冬柏,王安玲. 基于汶川地震房屋建筑破坏特征的几点启示[Z].

[4]丰定国,王社良.抗震结构设计[M].武汉理工大学出版社,2003.□

(编辑/刘佳)