普通多层砌体房屋的震害分析及加固建议.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流普通多层砌体房屋的震害分析及加固建议.精品文档.普通多层砌体房屋的震害分析及加固建议摘要：普通多层砌体房屋在我国现阶段住宅中普遍存在，但其抗震性能存在较大问题。本文将分析普通多层砌体房屋的震害特点，给出无筋墙体抗震强度验算方法，并从设计结构限制、设置钢筋混凝土构造柱、圈梁、钢筋网水泥浆加固法、基础抗震技术和墙体开封耗能技术等方面为多层砌体的房屋的加固提出建议。关键词：多层砌体房屋、震害特点、抗震强度验算、加固方法1 引言在我国，砌体结构房屋在中小城市、乡镇和农村地区是大量存在的，我国住宅建筑中80%以上为砌体结构，全部建筑面积中砌体结构也多达60%70%，尤其在农村地区，居民住宅几乎全部为砌体结构。但由于砌体结构以墙体为承重构件，其刚度往往较大，结构自振周期小，故产生的地震作用也较大；而砌体结构材料本身的抗剪、抗拉强度低，延性较差，因此在地震中往往震害严重。在国内外历次强烈地震中，砌体结构的破坏率相当高。1923年的日本关东大地震，东京约有7000幢砖石房屋，大部分遭到严重破坏，仅有1000余座平房可修复使用；1948年苏联阿什哈巴地震，砖石房屋的破坏率达70%80%；1976年我国唐山大地震，在1000余幢多层砖混结构房屋中，倒塌率为70%80%；1991年的新疆柯坪地震、1993年的云南普洱地震，多层砖混结构房屋的破坏率达到75%。这次汶川地震中，砌体结构又遭到了严重的破坏，根据清华大学、西南交通大学、北京交通大学土木工程结构专家组在四川主要灾区的调查结果1，根据建筑结构类别的震害状况统计结果如表1所示，由表中可以看出，在汶川地震中，普通砌体结构造成的震害仍占据主体地位。表1 汶川地震中建筑震害情况统计（按结构形式分类）可以使用加固后使用停止使用立即拆除砌体-木架屋顶结构0（0%）2（50%）0（0%）2（50%）砌体结构42（21%）74（37%）33（16%）52（26%）砌体-框架混合结构20（48%）9（21%）4（10%）9（21%）框架结构66（54%）40（32%）8（7%）9（7%）框架-剪力墙（核心筒）结构5（71%）2（29%）0（0%）0（0%）轻钢结构（屋面）/钢桁架拱4（57%）3（43%）0（0%）0（0%）虽然普通砌体结构的震害严重，但由于其价格相对低廉，便于遍地取材，在未来的很长一段时间内，砌体结构仍然将占据我国普通建筑的主体地位。2 多层砌体结构房屋的震害特点砌体结构房屋的震害特点主要表现为以下几个方面：2.1 房屋倒塌地震时,当房屋承重墙体在水平地震作用下开裂，交叉裂缝将墙面分割成上下左右四块对顶的三角形块体，随着水平地震力的继续作用，并受到上、下块体的挤压而逐渐挤出脱落。此时承重墙体失去承受上层垂直荷载和水平地震作用力的能力，最终导致房屋倒塌。当房屋墙体特别是底层墙体整体抗震强度不足时，易造成房屋整体倒塌。当房屋局部或上部墙体抗震强度不足时，易发生上部倒塌，突出屋面或者室外楼梯等结构单元尤其容易破坏。2.2 墙体开裂、破坏墙体在水平剪力和竖向压力的共同作用下发生斜向主拉应力和主压应力，当墙体内的主拉应力超过砌体抗拉强度时，墙体就会产生斜裂缝；在地震的反复作用下，则形成了交叉裂缝。当地震作用沿房屋横向作用时，虽然纵墙在其平面内的刚度很小，几乎不承担地震作用，但是当抗震横墙间距过大或楼板刚度不足，纵墙墙体仍会受到平面外的地震作用力，发生平面外的弯曲，导致墙体出现水平裂缝。当纵横墙交接处连接质量不好、缺乏可靠的拉结，加之受两个方向的地震作用共同作用时，连接处受力复杂，应力集中程度高，容易被震脱，产生竖向裂缝。2.3 楼梯间墙体的破坏楼梯间顶层墙体的计算高度较其他部位的大，使其稳定性差，易发生破坏。除顶层外，标准层的楼梯间墙体计算高度却较同层其他部位墙体计算高度小，使其层间侧移刚度较大，因该处分配的地震剪力大，容易造成震害。一般多层砖房的震害，两端较中部为重，而设置在端部的楼梯间，震害尤为严重。2.4 空旷房间墙体的破坏开间大的外墙和房屋顶层的大房间，由于房间大，横墙相隔较远或楼板平面内的刚度不足，使楼板本身的水平地震力不能直接传递给两侧的横墙。因此，部分或大部分地震力由垂直于地震力方向的纵墙来承担，而垂直于地震力方向的墙体平面外的抗弯能力很低，导致墙体出现水平的裂缝。2.5 墙角破坏因为墙角位于房屋尽端，房屋对角部纵横两个方向的约束作用均有所降低；地震过程中的扭转效应，以及墙角处具有较大的刚度，故房屋角部吸收的地震作用亦大；加之墙角是纵横墙的交汇点，地震作用下其应力状态复杂并易于产生应力集中，从而该处的抗震能力很薄弱，常出现纵横两个方向的斜裂缝，严重时还会造成墙角局部垮塌。2.6 附属构件的破坏当建筑有突出屋面的小建筑如屋顶间、女儿墙和烟囱等附属物时，由于该部分的重量和刚度突然变小，地震时将产生“鞭梢效应”，使得突出屋面小建筑的地震反应增强，容易产生破坏。另外，由于隔墙、外廊栏杆等非结构构件与建筑物本身的连接较差，地震时造成大量的破坏。综上所述，多层砌体房屋在地震作用下的初始破坏原因是地震作用在墙体中产生的效应超过了墙体材料或连接材料的抗力。而多层砌体房屋的初始破坏部位，主要是墙身和构件间的连接处。当墙片所受的地震力大于墙片的抗震强度时，墙体将会开裂、局部倒塌甚至整体倒塌。当房屋构件（墙片、楼盖、屋盖）间的连接强度不足时，各构件间的连接破坏，使原有的整体工作体系受到破坏，构件丧失稳定，发生局部倒塌，严重时整体倒塌。3 多层砌体房屋无筋墙体的抗震验算方法粘土砖、多孔砖墙体的截面抗震截面抗震承载力，应按下列规定验算2。1 一般情况下应按下式验算： （1）式中，V墙体剪力设计值； A墙体横截面面积，多孔砖取毛截面面积； 承载力抗震调整系数，对自承重墙取0.75，对承重墙体，当墙体两端没有构造柱或芯柱时取0.9，否则取1.0； 各类砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值，按下式确定为 （2） 各类砌体抗剪强度设计值，按国家标准砌体结构设计规范确定； 砌体强度的正应力影响系数，对于粘土砖砌体可按下式计算为 （3）2 当按式（1）验算不满足要求时，可考虑计入设置于墙段中部的截面不小于240mm×240mm且间距不大于4m的构造柱对墙体手剪承载力的提高作用。按下列简化方法验算为 （4）式中，中部构造柱横截面总面积（对横墙和内纵墙时，取 ，对外纵墙）； 中部构造柱的混凝土轴心抗拉强度设计值； 中部构造柱的纵向钢筋截面总面积（配筋率不小于0.6%，大于1.4%时，取1.4%）； 钢筋抗拉强度设计值； 柱参与工作系数，居中设一根时取0.05，多于一根时取0.04； 墙体约束修正系数；一般情况取1.0，构造柱间距不大于2.8m时取1.1。4 多层砌体房屋的抗震加固方法4.1 规范对多层砌体结构房屋的限制严格按照相关法律规范规定，设计多层砌体结构房屋的各个指标。4.1.1 房屋的层数、高度限制一般房屋的层数和总高度不应超过表2的规定。对医院、教学楼等及横墙较少的多层砌体房屋，应根据具体情况适当降低总高度和减少层数。表2 多层砌体房屋的层数和总高度限值房屋类别墙最小厚度（mm）烈度6789高度层数高度层数高度层数高度层数多层砌体普通砖240248217186124多孔砖240217217186124190217186155小砌块1902172171864.1.2 房屋的最大高宽比限制为了限值弯曲变形，保证砌体房屋整体弯曲承载力（底部不出现水平裂缝），保证房屋的稳定性，抗震规范对房屋的高宽比进行了限值，如表3所示：表3 多层砌体房屋最大高宽比烈度6789最大高宽比2.52.52.01.54.1.3 房屋抗震横墙间距的限制多层砌体房屋的横向水平地震作用主要由横墙来承担。横墙除满足抗震承载力外，其间距应与楼盖的刚度相匹配，以保证楼盖能将全部水平地震作用传递给横墙。抗震规范规定，多层砌体房屋抗震横墙的间距，不应超过表4的要求。表4 抗震横墙最大间距（m）房屋类别6度7度8度9度多层砌体现浇或装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖18181511装配式钢筋混凝土楼、屋盖1515117木楼、屋盖1111744.1.4 房屋局部尺寸的限制对砌体房屋的窗间距、尽端墙段、女儿墙等的尺寸应加以限制，以免在地震作用下，这些部位提前破坏，导致结构楼面系统破坏甚至整体倒塌。房屋中砌体墙段的局部尺寸限值，宜符合表5的要求。表5 房屋的局部尺寸限值部位6度7度8度9度承重窗间墙最小宽度1.01.01.21.5承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离1.01.01.21.5非承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离1.01.01.01.0内墙阳角至门窗洞边的最小距离1.01.01.52.0无锚固女儿墙（非出入口处）的最大高度0.50.50.50.04.2 设置钢筋混凝土构造柱震害和实验均表明，在多层砖房中的适当部位设置构造柱并与圈梁连接使之共同工作，可以有以下作用：设置在墙段两端的构造柱能够提高砌体的受剪承载力10%30%左右；对砌体房屋起约束作用，使破碎的墙体中的碎块不易散落，从而使之有较强的极限变形能力和延性，基本防止了房屋在地震作用下发生突然倒塌；有效延缓了房屋在余震中的继续损坏。4.2.1 构造柱的设置部位构造柱的设置部位一般应符合表6的要求。表6 砖房构造柱设置要求房屋层数设置部位6度7度8度9度四、五三、四二、三外墙四角；错层部位横墙与外纵墙交接处；大房间内外墙交接处；大洞口两侧7度、8度时楼电梯间的四角；隔15m或单元横墙与外纵墙交接处六、七五四隔开间横墙（轴线）与外墙交接处，山墙与内纵墙交接处；7度、9度时楼、电梯间的四角八六、七五、六三、四内墙（轴线）与外墙交接处，内墙的局部较小墙垛处；79度时楼、电梯间的四角；9度时内纵墙与横墙（轴线）交接处。4.2.2 构造柱的截面与配筋 构造柱最小截面可采用240mm×180mm，纵向钢筋宜采用412箍筋间距不宜大于250mm，且在柱上下端宜适当加密；7度时超过六层、8度时超过5层和9度时，构造柱纵向钢筋宜采用414，箍筋间距不应大于200mm；房屋四角的构造柱可适当加大截面及配筋。4.2.3 构造柱的连接（1） 构造柱与墙的连接。构造柱与墙连接处应砌成马牙槎，并应沿墙高每隔500mm设26拉结钢筋，每边伸入墙内不宜小于1m。（2） 构造柱与圈梁连接。构造柱与圈梁连接处，构造柱的纵筋应穿过圈梁，保证构造柱钢筋上下贯通。（3） 构造柱与基础连接。构造柱可不单独设置基础，但应伸入室外地面下500mm，或与埋深小于500mm的基础圈梁连接。对于有个别地区基础圈梁与防潮层相结合，其圈梁标高已高出地面，在这种情况下，构造柱应伸入地面下500mm。4.3 设置钢筋混凝土圈梁钢筋混凝土圈梁是多层砖房有效的抗震措施之一。其可以加强纵横墙的连接，增强房屋的整体性；提高楼高的水平刚度，使局部地震作用能够分配给较多的横墙承担；限制墙体斜裂缝的开展和延伸；可以减轻地震时地基不均匀沉陷对房屋的影响等。4.3.1 圈梁设置部位装配式钢筋混凝土楼、屋盖或木楼、屋盖的砖房，横墙承重时，应按表7的要求设置圈梁；纵墙承重时每层均设置圈梁，且抗震横墙上的圈梁间距应比表内要求适当加密。表7 砖房现浇钢筋混凝土圈梁设置要求墙类烈度6、789外墙和内纵墙屋盖以及每层楼盖处屋盖处及每层楼盖处屋盖处及每层楼盖处内横墙同上；屋盖处间距不应大于7m；楼盖处间距不应大于15m；构造柱对应部位同上；屋盖处沿所有横墙且间距不应大于7m；楼盖处间距不应大于7m；构造柱对应部位同上；各层所有横墙4.3.2 圈梁的构造要求（1） 圈梁应闭合，遇有洞口圈梁应上下搭接。圈梁宜与预制板设在同一标高处或紧靠板底。（2） 圈梁在要求的间距内务横墙时，应利用梁或板缝中配筋代替圈梁。（3） 圈梁的截面高度不应小于120mm，配筋应符合表8的要求；当多层砌体房屋的地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀，作为减少地基不均匀沉降影响的措施时，要求增设的基础圈梁，截面高度不应小于180mm，配筋不应少于412。表8 砖房圈梁配筋要求配筋烈度6、789最小纵筋410412414最大箍筋间距/mm2502001504.4 钢筋网水泥浆法加固多层砌体结构钢筋网水泥浆法加固砖墙，是把需加固砖墙表面除去粉刷层后，两面附设48的钢筋网片，然后喷射砂浆或细石混凝土的加固方法。由于通常对墙体做双面加固，所以加固后的墙体俗称“夹板墙”。该加固方法可以通过钢筋网片的套箍作用较大幅度地提高核心墙体的抗压承载力和墙体的整体性能，是多层砌体结构抗震加固的常用方法。4.4.1 钢筋网水泥浆法构造要求（1） 采用水泥砂浆面层加固时，厚度宜为20mm30mm；采用钢筋水泥浆面层加固时，厚度宜为30mm45mm；当面层厚度大于45mm时，其面层宜采用细石混凝土。（2） 面层水泥砂浆强度等级宜为M7.5M15，面层混凝土强度等级宜采用C15或C20。（3） 钢筋网需采用46穿墙“S”形筋与墙体固定，穿墙孔洞必须用机械钻成。“S”形筋间距不应大于500mm，对于单面加固的墙体，其钢筋网可用4“U”形筋钉入墙内，代替“S”形筋的拉接作用，与墙体固定。为加强钢筋网与墙体的固定，必要时在中间还可以增设4“U”形筋铁钉钉入墙体砖缝内。（4） 夹板墙受力钢筋的保护层厚度室内正常环境不应小于15mm，露天或室内潮湿环境不应小于25mm。受力钢筋距砌体表面的距离不应小于5mm（5） 受力钢筋宜采用I级钢筋；对于混凝土面层，也可采用II级钢筋。受压钢筋一侧的配筋率，对于砂浆面层，不宜小于0.1%；对混凝土面层，不宜小于0.2%。受拉钢筋的配筋率不应小于0.1%。受力钢筋的直径不应小于8mm。钢筋的净间距不应小于30mm。（6） 箍筋的直径，不宜小于4mm及受压钢筋的0.2倍，并不宜大于6mm。箍筋的间距不应大于受压钢筋直径的20倍及500mm，并不应小于120mm。（7） 钢筋网的横向钢筋遇到门窗洞口时，宜将钢筋沿洞边完成90°的直钩加以锚固。4.4.2 夹板墙的抗震验算在地震地区采用钢筋网水泥浆面层加固砖墙时，其截面抗剪承载力可按照中国建筑科学院建议的公式计算： （5）式中：Vk为楼层第k道夹板墙承受的地震剪力；为截面剪力不均匀系数，对矩形截面去1.2；f为砖砌体沿阶形界面的抗剪强度，按照砌体结构规范取用；fcl为钢筋网水泥砂浆面层抗压强度设计值；Ac为所验算夹板墙在1/2高处的钢筋网砂浆面层的截面面积；As为单根钢筋横截面面积；n为墙体砂浆抹面层的层数；L为砖墙水平长度。4.5 基础隔震技术所谓基础隔震，是指在上部结构与基础之间设置某种隔震消能装置，以减小地震能量向上部结构传输，从而达到减小上部结构的自振周期的目的，如在建筑物底层增加橡胶垫、阻尼器等。目前在日本已经发展起了一些隔震技术，如夹层橡胶垫隔震、铅芯橡胶垫隔震、滑动摩擦隔震、滚动隔震层、支承式摆动隔震、滚轴隔震等各种新的抗震技术4。4.6 墙体开缝耗能技术历次震害表明，砌体结构宽度较大的墙体由于其“低矮”而呈剪切破坏，产生斜裂缝或X形裂缝。剪切破坏的墙体延性差、耗能小，破坏过程短暂突然，难以满足抗震要求。鉴于砌体结构这种震害形式，建议在抗震设防区对墙体开几道竖缝，将墙体分为墙板柱，使墙体剪切变形状态变为弯-剪变形状态，并在缝隙中加入粘滞或粘弹性等耗能材料，以提高墙体的变形能力和耗能能力，使其在地震时集中耗散能量从而保护墙体。开缝数量据实际情况研究确定。图13为墙体开缝及变形示意。图1 墙体开缝耗能示意图图2 墙体剪切变形图3 墙体弯-剪变形5 结语从地震震害调查以及破坏原因分析中不难发现，砌体结构房屋在抗震方面有其自身的先天不足，但我国的经济发展现状又使其不能很快被淘汰，而要在很长一段时间内占据我国住宅房屋的很大比例。这就要求在施工过程中对砌体结构进行规范设计及必要的加固。设置钢筋混凝土构造柱、圈梁、夹板墙技术都是传统且已普遍应用的加固方法，而新兴的基础隔震技术相对经济成本较高，但随着经济发展也必将得到广泛的应用。参考文献：1 清华大学、西南交通大学、北京交通大学土木工程结构专家组. 汶川地震建筑震害分析. 建筑结构学报 2008年8月 第29卷第4期.2王显利、孟宪强、李长凤、武征宵. 工程结构抗震设计. 科学出版社.3王昌兴. 建筑结构抗震设计及工程应用. 中国建筑工业出版社.4 邓志刚. 砌体结构钢筋网片加固设计方法研究. 山西建筑.2008年2月.第34卷 第5期.5 苏晶. 日本：抗震技术面面观. 震后重建方略6 清华大学土木工程系组编. 建筑抗震鉴定与加固. 中国水利水电出版社.知识产权出版社.7 周云、邹征敏、张超、吴从晓. 汶川地震砌体结构的震害与改进砌体结构抗震性能的途径和方法. 防灾减灾工程学报.2009年2月.第29卷第1期.