赤峰地区底框结构构件强度下降原因研究分析

徐超 景凯宇 张宁

摘要：赤峰地区多见底框结构建筑形式，老旧的底框结构出现了结构构件强度下降，在地震等自然灾害下，存在较大的安全隐患，分析赤峰市底框结构强度下降的原因，为后续分析有损伤的底框结构抗震性能分析打下坚实的基础，本文通过对赤峰市及其各旗县的实地调研，总结出底框结构在赤峰地区构件强度下降的原因.

关键词：底框结构;构件强度;裂缝;地基沉降

中图分类号：TU746.3  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）02-0072-03

0 引言

底层为混凝土框架结构、二层及以上是砌体结构，这种结构形式叫作底框结构，二层及以上由砌体构件作为竖向承重构件，水平承重构件由混凝土材料构成，所以底框结构又称为底框砖混结构.底框结构优点为：保温隔热性能好、施工便捷、取材方便并且价格低廉，底部一层框架结构满足了大空间的使用要求，所以中小城市普遍采用此种结构形式作为底层商铺、上层住宅使用.底框砖混结构的缺点：由于此种结构由框架和砌体两种结构形式组成，两种结构构件承重及抗侧力体系使得整体刚度不均匀，砌体自重大，框架自重轻，造成“头重脚轻”的现象，1976年唐山地震、2008年汶川地震、2010年玉树地震后统计分析，底框砖混结构抗震性能较差，破坏程度较大[1-3].关于底框结构抗震性能，国内外研究分析相对成熟，但是针对结构构件已经产生了强度上的破坏，在此基础上其抗震性能研究分析始终处于低水平阶段.据2019年年初赤峰市住房与城市规划局统计，赤峰市及旗县危房数量2200多套，其中砌体结构房屋占危房总数量的80%，所以，研究构件强度下降后对房屋整体抗震性能的影响迫在眉睫.底框砖混结构构件强度下降的一个主要原因是砌体承重构件裂缝的产生，本文对赤峰市及各旗縣代表性底框砖混结构裂缝产生的原因经过调研分析进行总结.

1 地基不均匀沉降

地基所承受的建筑结构自重较大，地基在上部荷载的作用下会产生沉降，如果是均匀沉降对建筑结构影响较小.地基土种类不同，所以每一部分的承载力也不相同，在上部荷载作用下会产生不均匀沉降，对主体结构构件产生较大影响，地基不均匀沉降会使得底框砖混结构承重墙产生裂缝，造成承重构件强度降低，进而影响整个底框砖混结构的抗震性能.常见地基不均匀沉降原因有地下水位降低造成地基不均匀沉降;相邻建筑距离较近且后开挖的基坑比既有建筑基坑深，造成既有建筑地基产生不均匀沉降;在没有足够地勘报告支撑前提下，进行结构施工设计，造成地基不均匀沉降.对赤峰市敖汉旗某底框砖混结构实地调研，此结构因地基不均匀沉降产生的裂缝如图1、图2所示.

1.1 赤峰地区干旱，地下水位降低造成地基不均匀沉降

赤峰地区气候干燥，加之农田灌溉使得地下水位逐年下降，地下水位下降使既有建筑物地基发生不均匀沉降，可以使主体承重构件产生裂缝，造成强度下降进而对底框砖混结构整体抗震性能以及受力性能受到不可忽视的影响，这种影响危害性极大.地下水位下降引起既有建筑物地基沉降的根本原因是地基土中孔隙水压力和有效应力发生改变的结果，也就是说，地下水位下降引起建筑结构地基沉降的原因是变化后的地基土有效应力，在地下水位下降后，土中孔隙水压力减小甚至孔隙水完全被排出，有效应力发生变化，土体受压变形[4].

1.2 相邻建筑基坑开挖过深、两个建筑距离较近，使得地基不均匀沉降

在既有底框砖混结构房屋临近处施工建设新的结构建筑，如果两个建筑距离较近，在设计施工过程中并没有考虑新建建筑对临近既有建筑的影响，在新挖基坑中，护壁桩设置强度不足，并且基坑开挖深度大于既有建筑地下结构部分深度，在以上情况下，既有建筑的自重会对其地基土产生侧向压力，使得既有建筑地基土不稳定侧移，进而产生既有底框砖混结构地基不均匀沉降.

1.3 在没有足够地勘报告的支撑前提下，进行结构设计施工，造成地基不均匀沉降

在建筑结构设计阶段，结构设计需要地勘报告数据分析作为支撑，相关单位为节约成本，认为相邻建筑不需要每一个结构都做地勘报告，将一个地勘报告应用于多个建筑，此种做法存在安全隐患，在一些占地面积较大的结构建筑中，不同施工场地存在地基土种类不同，如果遇到软弱地基土层或者是淤泥土质应需要做地基加固，采用适当的加固措施保证其承载力需求，如果在同一地基上，不同位置土性质不一样，地基在上部荷载作用下会产生受力不均匀，最终造成地基不均匀沉降.在赤峰市，此种做法在设计院中比较常见，因此不均匀沉降产生裂缝的房屋也层出不穷，其实质危害性较大，不利于抗震及承受荷载作用，并且不同地基土对地震的反应也不尽相同，每一种地基土都有其特征周期，土质的特征周期、建筑结构的自振周期以及地震的周期三者相接近会产生共振效应，对结构抗震是十分不利.

2 施工过程不规范，引起砌体结构构件开裂

2.1 砌体砌筑施工过程不规范产生裂缝

底框砖混结构中砌体构件是由块体与砂浆组成，砌体工程施工质量受到砌筑质量、施工技术水平以及管理水平等因素制约，砌筑的过程中，水平灰缝砂浆饱满程度、砂浆厚度、整齐程度、砌体组砌方法、块体的含水量影响着砌体结构构件的受力性能，在复杂的应力状态下，不同的砌筑质量会使得砌体构件产生不同的受力形式，进而造成不同类型的裂缝，不管是何种因素产生的何种裂缝都会对砌体强度产生影响.

2.2 混凝土构件施工养护不规范产生裂缝

底框砖混结构中混凝土材料组成的底部框架结构在施工过程中出现问题同样会产生裂缝，混凝土构件强度没有形成之前，为了施工进度而过早拆除模板会因为构件强度不足产生裂缝;养护过程中，没有严格遵守施工规范进行养护，使得混凝土构件强度不足而产生裂缝;模板搭建过程中出现涨模现象，使得构件受到复杂应力甚至产生附加弯矩作用进而产生裂缝;在施工过程中钢筋外漏使得混凝土保护层失去作用，后期会造成钢筋锈蚀，同样会造成构件的强度降低.底框砖混结构本身缺点就是刚度不平衡，“头重脚轻”现象严重，如果底部框架混凝土构件因为施工问题而造成强度降低，对整个结构的受力及抗震性能影响非常大.

3 结构设计不合理，或不满足现规范要求

3.1 不按规范要求私自建造的底框砖混结构

由于考虑造价等因素，两层及低层底框砖混房屋由于层高较低，建造人员经常忽略结构设计，出现了各种不合理受力的存在，赤峰市及各旗县多存在不符合规范要求私自建造的底部框架砖混结构，由于忽略了专业的结构设计、粗糙的施工手法，经常会出现有损结构构件强度的因素出现，2019年赤峰市危房中百分之八十的砌体结构房屋也多因为如此而被鉴定机构鉴定为危房C、D两个等级，这类房屋存在着严重的安全隐患，一旦地震及其他自然灾害等偶然作用发生时会对百姓的生命财产构成威胁.

3.2 其他不符合规范要求的底框砖混结构

之前叙述在结构设计阶段一个地勘报告多处建筑使用、结构设计时忽略了临近建筑的影响，使得护壁桩设计不满足承载力要求进而产生地基不均匀沉降等都属于不满足结构设计规范要求的建筑，此类建筑对底框砖混结构建筑的危害性在之前已经有所叙述，这里不再赘述.为了满足建筑使用要求，出现了结构设计不合理的现象，例如为了追求底层大空间要求，柱子的刚度不足，使本来就弱刚度底层框架“雪上加霜”，最终造成结构抗震性能降低.

由于结构专业知识的匮乏，许多业主为了建筑使用的方便私自拆除结构承重构件，造成底框砖混结构整体强度降低的现象也是屡见不鲜的，这种行为也存在着较高的安全隐患.

3.3 建筑时间较长，不满足现规范要求的底框砖混结构建筑

我国砌体结构设计规范经历了《砖石结构设计规范》GBJ3-73、《砌体结构设计规范》GBJ3-88、《砌体结构设计规范》GB50003-2001、《砌体结构设计规范》GB50003-2011四个版本规范，赤峰市及其各旗县存在着大量不同版本规范设计的底框砖混结构建筑.特别是在经历了汶川、玉树等大地震后，发现根据当时版本及其之前版本抗震设计规范设计的底框结构的抗震性能、抗倒塌能力较差.我国现行《建筑抗震设计规范GB50011—2010》中比以往版本（GBJll.89，1989）更加重视了结构抗倒塌性能的设计，如更加严格的规定了过渡砌体层与底部框架层的侧移刚度比，以防止底部框架层的过早破坏甚至倒塌，但另一方面也导致了其破坏模式的改变[5].在唐山大地震之后的规范出现了圈梁、构造柱来增强底框砖混结构的刚度，是为了提高其抗震性能，但是88版规范之前的底框砖混结构建筑并没有圈梁、构造柱，这些结构中的一些建筑为了满足刚度要求后加了圈梁、构造柱（如圖3、图4），后加的圈梁、构造柱不能完全发挥作用，反而在施工过程中以及受力上对原结构产生一定的破坏，造成强度降低.

4 温度应力以及砌体材料干缩变形

4.1 温度应力产生的裂缝

由于底框砖混结构建设在自然界中会受到阳光照射，雨雪天气影响，势必会产生温度变化，因为外界温度变化大而建筑材料内部保留着原始温度，所以在结构构件上就会产生附加温度应力作用.砖混结构有两种材料组成，混凝土与砌体两种材料热胀冷缩性能有所差异，在约束作用下，温度变形所产生的应力就会很大，例如：在太阳照射下，钢筋混凝土屋面板的温度比其下方砌体墙体的温度高出一倍，而且混凝土的线膨胀系数是砖砌体墙线膨胀系数的二倍，因此混凝土屋面板的变形要比砌体墙的变形大的多，砌体墙对屋面板有约束作用，限制其变形，这样对砖砌体墙会产生很大的拉应力和剪应力，砖砌体构件抗拉及抗剪性能较差，一旦温度应力大于其抗拉、抗剪强度时，在砖砌体墙上会产生裂缝.

4.2 砌体材料干缩变形

砌体材料会随着含水量的降低产生干缩裂缝，混凝土材料同样会发生收缩变形，在混凝土强度形成初期，变形发展较快，随后持续缓慢增长，遇水后膨胀同样会产生变形，失水后又会收缩变形，所以在两种材料复杂的变形情况影响下，势必会产生应力作用，当砌体上的应力达到抗拉、抗剪强度时便会产生裂缝.

温度应力及砌体材料干缩变形所产生的裂缝对整个底框砖混结构强度有严重的影响.

5 结语

综上所述，底框砖混结构构件在赤峰市及其各旗县的强度损伤具有特性，这是因为赤峰地区设计施工条件以及气候环境因素影响，赤峰市底框砖混结构构件的强度损伤又具有底框砖混结构强度损伤的普遍性.地基不均匀沉降、施工过程不规范、结构设计不合理、温度应力以及砌体材料干缩变形等引起的强度损伤是必须要解决的问题，如果不及时解决会产生极大的安全隐患，近些年，相关的科研人员针对上述形式强度损伤原因孜孜不倦的寻求解决办法，也发表了一系列的文章，并将相关问题编入规范.本文分析了赤峰地区底框砖混结构构件发生强度下降的原因.掌握本质原因，从根本出发，为后期进行受损伤底框结构抗震性能分析，提供了有力的依据.

参考文献：

〔1〕李侠.砖混结构抗震设计需要注意点问题[J].城市建设理论研究，2015（2）.

〔2〕孙柏涛，邓宏宇.底框结构房屋抗震性能研究[J].建筑结构学报，2015，12（S2.020）.

〔3〕王成.玉树4·14地震建筑结构震害调查与分析[J].建筑结构学报，2010（08）.

〔4〕张景斌.地下水位下降引起既有建筑物地基沉降的分析方法[J].水文地质工程地质，2015（05）.

〔5〕孔建辉.两个不同版本规范设计的底框结构抗震性能试验研究与分析[J].中国地震局工程力学研究所，2018（06）.