框架结构中的空心砖填充墙震害反思与建议

李碧雄*，彭 娟

(四川大学 建筑与环境学院，成都 610065)

框架结构中的空心砖填充墙震害反思与建议

李碧雄*，彭 娟

(四川大学 建筑与环境学院，成都 610065)

在汶川地震和芦山地震中，大量的空心砖填充墙被严重破坏，甚至在地震烈度较低的地区也发生大量破坏。通过震害调研，认为空心砖强度低、竖向灰缝不饱满、水电管道和墙体开洞对墙体的削弱以及对空心砖力学性能认识不足是导致空心砖填充墙易发生震害的原因;在震害特征和已有研究工作的基础上，分析了空心砖填充墙对框架结构整体抗震性能的影响;针对空心砖砌体理论研究远远落后于实际应用的情况，提出开展空心砖砌体力学性能研究工作的建议。

空心砖填充墙;应用现状;抗震性能;力学性能;措施

砌体填充墙-钢筋混凝土框架结构是我国目前应用较为广泛的建筑结构形式之一。随着我国墙体材料的革新和实心粘土砖的全面禁用，各类新型节能墙体材料应运而生，空心砖以其轻质及良好的保温隔热性能，被广泛应用于钢筋混凝土框架结构。

在汶川地震和芦山地震中，大量的空心砖填充墙发生破坏，甚至在地震烈度相当于或低于设防烈度的地区也发生大量破坏，这是空心砖填充墙与实心砖填充墙的一大不同。目前的震害调查［1-3］及抗震性能研究［4-5］大多将目光集中于框架结构主体，专门针对填充墙尤其是空心砖填充墙的研究较少。本文通过汶川地震和芦山地震的震害调查，初步分析了空心砖填充墙易发生震害的原因;结合震害特征和现有研究，分析了空心砖填充墙对框架结构整体抗震性能的影响;针对目前缺乏空心砖砌体的理论研究的情况，建议开展空心砖砌体力学性能的相关研究工作;总结了国内外关于提高砌体填充墙抗震性能的措施。

1 空心砖填充墙的应用现状

砌体填充墙-钢筋混凝土框架结构，因其建筑平面布置灵活、室内空间大等优点，被广泛应用于厂房、商场、教学楼、医院等多高层建筑中。其中框架梁柱通过铰接或刚接形成空间网架，是竖向荷载和水平力的承载体系，填充墙只起围护、分隔作用。

我国现行规范［6］将填充墙作为“非结构构件”，不参与抗震设计，在设计阶段只考虑填充墙的自重，并将其作为竖向荷载作用到框架梁上，同时根据填充墙的数量，采用周期折减的方式考虑其刚度贡献。但是大量震害显示，地震中填充墙与框架主体相互作用，共同承担地震力。地震中填充墙的各种破坏形态及其对框架主体抗震性能的不利影响，说明了上述设计方法的局限性。汶川地震发生后，抗震规范针对框架结构填充墙的条款进行了调整，“框架结构的维护墙和隔墙应估计其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏”。这个调整充分显示了在设计中考虑填充墙的重要性和必要性，但如何“估计”却并未明确说明。

Paulay和 Priestley［7］提出了2 条建议:1)设计时考虑填充墙与框架的相互作用;2)通过构造措施，保证填充墙与框架主体之间无相互作用。国内外许多学者就“如何考虑填充墙与框架主体的相互作用”这一问题开展了大量研究，目前最有说服力的是“斜撑模型”［8］，即将填充墙简化为对角斜撑。但是，由于填充墙的多样性，工程人员准确模拟填充墙与框架主体的相互作用仍然很困难。另一方面，通过构造措施，可以消除填充墙和框架的相互作用，但是与框架完全脱开的填充墙在平面外地震力作用下容易发生平面破坏。

考虑填充墙的存在，建立符合实际受力的填充墙框架模型，分析、计算其受力，为定量计算填充墙对结构受力的影响奠定理论基础，使相关的规范条款具体化，提高其可操作性，这将是今后很长一段时间内填充墙研究工作的重点。在填充墙定量计算方法还不成熟之前，应尽量从概念设计的角度出发，重视填充墙的合理布置。

2 空心砖填充墙易发生震害的原因及对策

2.1 抗压强度低

由于填充墙参与抵抗地震作用，要求填充墙除了满足维护、隔断作用以外，还应具有一定的强度和变形能力。空心砖具有较大的孔洞率，抗压强度低，文献［9］对2种烧结空心砖的抗压强度进行测试，测得其大面抗压强度均不足MU2.5。另外，空心砖在运输过程中也极易发生破损，进一步增大了其强度的离散性。在地震作用下，填充墙受框架结构的斜压作用，破坏开始于某块强度较低的空心砖被压坏，图1所示为芦山地震后芦山医院某处填充墙的震害情况，破坏开始于局部的某块砖被压碎，周围空心砖也能观察到清晰的裂缝，裂缝有逐渐贯通的趋势。可见空心砖块体自身的强度对填充墙的表现起决定性的作用。因此，建议在孔洞结构和成型方法等方面开展研究，提高空心砖的强度。同时，加强对进场空心砖强度的监测，GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》规定“砌墙砖抗压强度试验试样数量为10块”。一个建筑项目填充墙用砖量极大，10块的样本数量不足以代表总体的强度平均值，建议增大抽样数量，按总体的百分比抽样。

图1 局部空心砖被压碎 图2 水电管道和墙体开洞处填充墙破坏形态 图3 窗间墙“短墙”破坏

2.2 竖向灰缝不饱满

保证砌体强度的一大要求是“灰缝饱满”。空心砖具有较大的孔洞率，其竖向灰缝铺浆面极小，施工时肋上砂浆无法铺满，且砂浆在重力作用下向下滑落，造成竖向灰缝不饱满。在地震作用下，裂缝极有可能从不饱满的竖向灰缝处开始，形成沿齿缝的破坏形态。建议在空心砖形状结构、成型方法等方面开展研究，增大竖向灰缝的铺浆面，改善空心砖砌体竖向灰缝不饱满这一状况。

2.3 水电管道和墙体开洞对砌体的削弱

填充墙因为铺设水电管道，需要在墙体上进行钻孔、打眼，块体或墙体受到削弱，在地震荷载作用下，管线通过处应力集中，极易率先出现裂缝或局部压碎。

门窗洞口的开设破坏填充墙的整体性，进一步削弱墙体，在洞口角部极易发生应力集中，裂缝从洞口角点以45°向墙内发展，在地震荷载反复作用下，窗间墙形成X形裂缝。

图2所示为芦山地震中宝盛乡政府办公楼一处填充墙的震害情形，因门洞的开设和管线的布置，此处墙体的震害相当严重，管线通过处空心砖被压碎并剥落，2个门洞之间的填充墙形成明显的X形裂缝。

此外，当开洞面积较大时，窗间墙易形成“短墙”，在地震作用下，发生剪切破坏，裂缝沿窗台线发展，如图3所示。

2.4 空心砖力使用不规范

针对空心砖力学性能的研究几乎没有，对空心砖力学性能认识不足，导致空心砖使用不规范，也是造成空心砖填充墙发生震害的原因。空心砖不同受压面测得的抗压强度存在显著差异，顶面强度最高、侧面次之、大面最低［9］。如果产品说明书规定顶面砌筑，而施工时改为大面砌筑，墙体的强度将大大降低。调查发现，目前施工单位主要是根据墙体厚度来选择空心砖的砌筑面，图4(a)所示为顶面砌筑的空心砖填充墙，图4(b)所示墙体则是大面砌筑。因此，建议规范统一空心砖的砌筑面;施工时若要改变砌筑面，必须评估改变后对强度的影响，并得到设计或监理的认可。

图4 不同砌筑面的空心砖填充墙

此外，文献［10］中提到空心砖混结构是青海玉树县较为普遍的一种建筑形式，主要采用小型空心砖砌块砖墙和预制楼板组成承重体系，在玉树地震中震害非常严重。空心砖作为一种脆性材料，其强度较低且离散性较大，不宜用于承重墙。

3 空心砖砌体抗震性能研究进展

3.1 空心砖砌体的力学性能研究

评价填充墙抗震性能的主要指标是强度和变形性能。空心砖填充墙虽然被广泛应用于框架结构中，但是关于空心砖砌体力学性能的研究较少，其理论研究远远落后于实际应用。建议全面开展空心砖砌体力学性能研究工作，深入了解空心砖砌体的力学性能，开展空心砖和砂浆的抗压、抗折强度以及二者之间的粘结强度、砂浆强度对空心砖砌体强度和变形性能的影响、抹灰砂浆对空心砖砌体强度和变形性能的影响，为提高空心砖砌体抗震性能及实际应用提供理论依据。

3.2 提高空心砖砌体抗震性能的措施

许多已建建筑的抗震性能仍然是国内外学者关注的重点。发展快速、有效、经济、友好的填充墙加固补强方法，是降低已建建筑和拟建建筑地震震害的有效途径。目前，各国学者正尝试采用一些新方法、新技术来提升填充墙的延性。

将FRP(fiber reinforced polymer)应用于填充墙的补强加固是近10年来才逐步发展起来的方法，受到了众多学者的青睐［13］。FRP加固补强主要是采用FRP复合材料加固墙体，并采用FRP锚具对填充墙和框架主体进行锚固，以提高填充墙的延性及抗剪强度。文献［14-15］中对多层多跨框架填充墙结构进行了拟静力试验，验证了这种方法的有效性，且该方法施工速度快，干扰小。该方法已经被写入土耳其抗震规范(Turkish Seismic Design Code 2006)。

但是造价限制了FRP加固补强方法的推广应用。为了解决这个问题，Kobayashi将FRP绞线用于框架填充墙［16］。研究发现，一定体积含量的FRP绞线可以增大墙体的变形能力，而且可以提高填充墙在平面内及平面外的整体性。为了进一步研究FRP绞线体积含量对填充墙的强度和变形能力的影响，Binici等［17］对不同用量的试件进行了对角循环受压试验。试验结果表明:FRP绞线可以限制裂缝的开展，提升墙体的承载能力，且与未加固的试件不同，达到峰值荷载后墙体仍有一定的承载能力，不会突降至零。

Okuyucu等［18］对46个贴有钢纤维板和预制高强钢筋混凝土板/条及未进行加固补强的空心砖砌体墙进行对角受压试验，研究钢纤维板和预制高强钢筋混凝土板对墙体抗剪强度的影响。试验结果表明，采用钢纤维和预制高强钢筋混凝土板均对试件的极限荷载有较大提升，其中以单面20 mm厚钢纤维板的强度和延性改善效果最好。值得注意的是，两面普通抹灰的试件的极限荷载也较未加固试件有所提升，这与在地震灾区看到的情况相符，某些建建筑的抹灰填充墙震害不及裸墙面的墙体严重。此外，作者对砌筑砂浆强度也进行了对比试验。第一批试件砂浆强度为M3.5，第二批试件砂浆强度为M10。作者对两批未加固试件进行了比较，发现第二批砂浆厚度仅为6 mm的试件的极限强度是第一批砂浆厚度为10 mm的试件的4.2倍，进一步说明砂浆强度对砌体的抗剪强度影响甚大。

国内开展的空心砖填充墙抗震性能研究较少，陈万山等［19］对6片页岩空心砖墙体进行了低周反复荷载试验，探讨了墙体的破坏特征、承载能力、延性等问题，结果表明，配置水平钢筋不仅可以提高墙体的承载能力，而且可以大大提高墙体的变形能力。

上述利用FRP纤维材料、钢纤维板、预制混凝土板/条、配置水平钢筋等加固补强方法能有效提升砌体的抗剪强度及变形性能，建议将这些方法应用在空心砖填充墙中，评价其对空心砖填充墙抗震性能的改良效果。但是这几种方法造价较高，不适合在实际工程中推广应用;且配置水平筋也只能用于新建建筑。今后应加强这方面的研究，发展施工方便、经济有效的加固补强方法，提升空心砖填充墙抗震性能。

4 结语

1)现行规范中将填充墙作为“非结构构件”，“不参与地震作用”的设计方法存在一定的局限性。考虑填充墙的存在，建立符合实际受力的填充墙框架模型，是今后填充墙研究的重点;2)空心砖强度低、砌体竖向灰缝不饱满、水电管道和墙体开洞对墙体的削弱以及对空心砖力学性能认识不足等都是导致空心砖填充墙在较低地震烈度下发生破坏的原因;3)填充墙的存在对框架的承载力和刚度都有很大贡献，填充墙的不合理布置造成的扭转和薄弱层破坏、开洞引起的短柱破坏以及“强梁弱柱”破坏都会增大框架结构的震害，甚至导致垮塌，应注意填充墙的合理布置;4)空心砖填充墙的理论研究远远落后于实际应用，建议开展空心砖砌体力学性能研究工作，深入了解空心砖砌体的力学性能，为提高空心砖砌体抗震性能及实际应用提供理论依据。5)目前，国内外研究的提高砌体抗震性能的措施，能有效提高砌体的抗剪强度和变形性能，但是造价太高，不适合推广应用。今后应加强此类措施的研究，发展施工方便、经济有效的加固补强方法。

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Lessons and Suggestions for Hollow-brick Infill in Frame Structure from the Damage Caused by Recent Earthquakes

LI Bixiong*，PENG Juan
(School of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Serious damages were observed in hollow brick infill walls in both Wenchuan Earthquake and Lushan Earthquake，even in the regions where the seismic intensity was lower than the seismic fortification intensity.And the reasons were presented based on the typical damages in hollow brick infill walls，including that the strength of hollow brick was low，the perpends was not full，the door and window holes and pipeline weakened the wall，and the lack of knowledge in hollow brick mechanical properties.The influence of hollow brick infill on the strength and stiffness of the frames were stated in the paper.The research of hollow brick masonry was far behind the application，thus the study on hollow brick mechanical properties should be carried out.The measures to improve seismic performance of masonry infills were summarized.

hollow brick infill;application;seismic performance;mechanical property;measure

TU364

A

2095-5383(2014)02-0073-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.024

2014-03-22

能源工程安全与灾害力学教育部重点实验室开放基金(2013KF05);四川大学地震灾后重建应急研究项目(2013SCU190)

李碧雄(1970-)，女(汉族)，湖南安化人，教授，博士，研究方向:结构工程抗震，通信作者邮箱:347292361@qq.com。

彭娟(1988-)，女(汉族)，四川成都人，在读硕士研究生，研究方向:结构工程抗震。