普通多層砌體房屋的震害分析及加固建議

/一般多層砌體房屋的震害分析及加固建議摘要：一般多層砌體房屋在我國現(xiàn)階段住宅中普遍存在，但其抗震性能存在較大問題。本文將分析一般多層砌體房屋的震害特點(diǎn)，給出無筋墻體抗震強(qiáng)度驗(yàn)算方法，并從設(shè)計結(jié)構(gòu)限制、設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱、圈梁、鋼筋網(wǎng)水泥漿加固法、基礎(chǔ)抗震技術(shù)和墻體開封耗能技術(shù)等方面為多層砌體的房屋的加固提出建議。關(guān)鍵詞：多層砌體房屋、震害特點(diǎn)、抗震強(qiáng)度驗(yàn)算、加固方法引言在我國，砌體結(jié)構(gòu)房屋在中小城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)是大量存在的，我國住宅建筑中80%以上為砌體結(jié)構(gòu)，全部建筑面積中砌體結(jié)構(gòu)也多達(dá)60%~70%，尤其在農(nóng)村地區(qū)，居民住宅幾乎全部為砌體結(jié)構(gòu)。但由于砌體結(jié)構(gòu)以墻體為承重構(gòu)件，其剛度往往較大，結(jié)構(gòu)自振周期小，故產(chǎn)生的地震作用也較大；而砌體結(jié)構(gòu)材料本身的抗剪、抗拉強(qiáng)度低，延性較差，因此在地震中往往震害嚴(yán)峻。在國內(nèi)外歷次猛烈地震中，砌體結(jié)構(gòu)的破壞率相當(dāng)高。1923年的日本關(guān)東大地震，東京約有7000幢磚石房屋，大部分遭到嚴(yán)峻破壞，僅有1000余座平房可修復(fù)運(yùn)用；1948年蘇聯(lián)阿什哈巴地震，磚石房屋的破壞率達(dá)70%～80%；1976年我國唐山大地震，在1000余幢多層磚混結(jié)構(gòu)房屋中，倒塌率為70%～80%；1991年的新疆柯坪地震、1993年的云南普洱地震，多層磚混結(jié)構(gòu)房屋的破壞率達(dá)到75%。這次汶川地震中，砌體結(jié)構(gòu)又遭到了嚴(yán)峻的破壞，依據(jù)清華高校、西南交通高校、北京交通高校土木工程結(jié)構(gòu)專家組在四川主要災(zāi)區(qū)的調(diào)查結(jié)果[1]，依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類別的震害狀況統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，由表中可以看出，在汶川地震中，一般砌體結(jié)構(gòu)造成的震害仍占據(jù)主體地位。表1汶川地震中建筑震害狀況統(tǒng)計（按結(jié)構(gòu)形式分類）可以運(yùn)用加固后運(yùn)用停止運(yùn)用立刻拆除砌體-木架屋頂結(jié)構(gòu)0（0%）2（50%）0（0%）2（50%）砌體結(jié)構(gòu)42（21%）74（37%）33（16%）52（26%）砌體-框架混合結(jié)構(gòu)20（48%）9（21%）4（10%）9（21%）框架結(jié)構(gòu)66（54%）40（32%）8（7%）9（7%）框架-剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)5（71%）2（29%）0（0%）0（0%）輕鋼結(jié)構(gòu)（屋面）/鋼桁架拱4（57%）3（43%）0（0%）0（0%）雖然一般砌體結(jié)構(gòu)的震害嚴(yán)峻，但由于其價格相對低廉，便于遍地取材，在將來的很長一段時間內(nèi)，砌體結(jié)構(gòu)照舊將占據(jù)我國一般建筑的主體地位。多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的震害特點(diǎn)砌體結(jié)構(gòu)房屋的震害特點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾個方面：房屋倒塌地震時,當(dāng)房屋承重墻體在水平地震作用下開裂，交叉裂縫將墻面分割成上下左右四塊對頂?shù)娜切螇K體，隨著水平地震力的接著作用，并受到上、下塊體的擠壓而慢慢擠出脫落。此時承重墻體失去承受上層垂直荷載和水平地震作用力的實(shí)力，最終導(dǎo)致房屋倒塌。當(dāng)房屋墻體特別是底層墻體整體抗震強(qiáng)度不足時，易造成房屋整體倒塌。當(dāng)房屋局部或上部墻體抗震強(qiáng)度不足時，易發(fā)生上部倒塌，突出屋面或者室外樓梯等結(jié)構(gòu)單元尤其簡潔破壞。墻體開裂、破壞墻體在水平剪力和豎向壓力的共同作用下發(fā)生斜向主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力，當(dāng)墻體內(nèi)的主拉應(yīng)力超過砌體抗拉強(qiáng)度時，墻體就會產(chǎn)生斜裂縫；在地震的反復(fù)作用下，則形成了交叉裂縫。當(dāng)?shù)卣鹱饔醚胤课輽M向作用時，雖然縱墻在其平面內(nèi)的剛度很小，幾乎不擔(dān)當(dāng)?shù)卣鹱饔?，但是?dāng)抗震橫墻間距過大或樓板剛度不足，縱墻墻體仍會受到平面外的地震作用力，發(fā)生平面外的彎曲，導(dǎo)致墻體出現(xiàn)水平裂縫。當(dāng)縱橫墻交接處連接質(zhì)量不好、缺乏牢靠的拉結(jié)，加之受兩個方向的地震作用共同作用時，連接處受力困難，應(yīng)力集中程度高，簡潔被震脫，產(chǎn)生豎向裂縫。樓梯間墻體的破壞樓梯間頂層墻體的計算高度較其他部位的大，使其穩(wěn)定性差，易發(fā)生破壞。除頂層外，標(biāo)準(zhǔn)層的樓梯間墻體計算高度卻較同層其他部位墻體計算高度小，使其層間側(cè)移剛度較大，因該處支配的地震剪力大，簡潔造成震害。一般多層磚房的震害，兩端較中部為重，而設(shè)置在端部的樓梯間，震害尤為嚴(yán)峻。空曠房間墻體的破壞開間大的外墻和房屋頂層的大房間，由于房間大，橫墻相隔較遠(yuǎn)或樓板平面內(nèi)的剛度不足，使樓板本身的水平地震力不能干脆傳遞給兩側(cè)的橫墻。因此，部分或大部分地震力由垂直于地震力方向的縱墻來擔(dān)當(dāng)，而垂直于地震力方向的墻體平面外的抗彎實(shí)力很低，導(dǎo)致墻體出現(xiàn)水平的裂縫。墻角破壞因?yàn)閴俏挥诜课荼M端，房屋對角部縱橫兩個方向的約束作用均有所降低；地震過程中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，以及墻角處具有較大的剛度，故房屋角部吸取的地震作用亦大；加之墻角是縱橫墻的交匯點(diǎn)，地震作用下其應(yīng)力狀態(tài)困難并易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而該處的抗震實(shí)力很薄弱，常出現(xiàn)縱橫兩個方向的斜裂縫，嚴(yán)峻時還會造成墻角局部垮塌。附屬構(gòu)件的破壞當(dāng)建筑有突出屋面的小建筑如屋頂間、女兒墻和煙囪等附屬物時，由于該部分的重量和剛度突然變小，地震時將產(chǎn)生“鞭梢效應(yīng)”，使得突出屋面小建筑的地震反應(yīng)增加，簡潔產(chǎn)生破壞。另外，由于隔墻、外廊欄桿等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和建筑物本身的連接較差，地震時造成大量的破壞。綜上所述，多層砌體房屋在地震作用下的初始破壞緣由是地震作用在墻體中產(chǎn)生的效應(yīng)超過了墻體材料或連接材料的抗力。而多層砌體房屋的初始破壞部位，主要是墻身和構(gòu)件間的連接處。當(dāng)墻片所受的地震力大于墻片的抗震強(qiáng)度時，墻體將會開裂、局部倒塌甚至整體倒塌。當(dāng)房屋構(gòu)件（墻片、樓蓋、屋蓋）間的連接強(qiáng)度不足時，各構(gòu)件間的連接破壞，使原有的整體工作體系受到破壞，構(gòu)件丟失穩(wěn)定，發(fā)生局部倒塌，嚴(yán)峻時整體倒塌。多層砌體房屋無筋墻體的抗震驗(yàn)算方法粘土磚、多孔磚墻體的截面抗震截面抗震承載力，應(yīng)按下列規(guī)定驗(yàn)算[2]。1．一般狀況下應(yīng)按下式驗(yàn)算：QUOTE（1）式中，V——墻體剪力設(shè)計值；A——墻體橫截面面積，多孔磚取毛截面面積；QUOTE——承載力抗震調(diào)整系數(shù)，對自承重墻取0.75，對承重墻體，當(dāng)墻體兩端沒有構(gòu)造柱或芯柱時取0.9，否則取1.0；QUOTE——各類砌體沿階梯形截面破壞的抗震抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，按下式確定為QUOTE（2）QUOTE——各類砌體抗剪強(qiáng)度設(shè)計值，按國家標(biāo)準(zhǔn)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》確定；QUOTE——砌體強(qiáng)度的正應(yīng)力影響系數(shù)，對于粘土磚砌體可按下式計算為QUOTE（3）2．當(dāng)按式（1）驗(yàn)算不滿足要求時，可考慮計入設(shè)置于墻段中部的截面不小于240mm×240mm且間距不大于4m的構(gòu)造柱對墻體手剪承載力的提高作用。按下列簡化方法驗(yàn)算為QUOTE（4）式中，QUOTE——中部構(gòu)造柱橫截面總面積（對橫墻和內(nèi)縱墻QUOTE時，取QUOTE，對外縱墻QUOTE）；QUOTE——中部構(gòu)造柱的混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；QUOTE——中部構(gòu)造柱的縱向鋼筋截面總面積（配筋率不小于0.6%，大于1.4%時，取1.4%）；QUOTE——鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；QUOTE——柱參和工作系數(shù)，居中設(shè)一根時取0.05，多于一根時取0.04；QUOTE——墻體約束修正系數(shù)；一般狀況取1.0，構(gòu)造柱間距不大于2.8m時取1.1。多層砌體房屋的抗震加固方法規(guī)范對多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的限制嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)法律規(guī)范規(guī)定，設(shè)計多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的各個指標(biāo)。房屋的層數(shù)、高度限制一般房屋的層數(shù)和總高度不應(yīng)超過表2的規(guī)定。對醫(yī)院、教學(xué)樓等及橫墻較少的多層砌體房屋，應(yīng)依據(jù)具體狀況適當(dāng)降低總高度和削減層數(shù)。表2多層砌體房屋的層數(shù)和總高度限值房屋類別墻最小厚度（mm）烈度6789高度層數(shù)高度層數(shù)高度層數(shù)高度層數(shù)多層砌體一般磚240248217186124多孔磚240217217186124190217186155————小砌塊190217217186————房屋的最大高寬比限制為了限值彎曲變形，保證砌體房屋整體彎曲承載力（底部不出現(xiàn)水平裂縫），保證房屋的穩(wěn)定性，《抗震規(guī)范》對房屋的高寬比進(jìn)行了限值，如表3所示：表3多層砌體房屋最大高寬比烈度6789最大高寬比2.52.52.01.5房屋抗震橫墻間距的限制多層砌體房屋的橫向水平地震作用主要由橫墻來擔(dān)當(dāng)。橫墻除滿足抗震承載力外，其間距應(yīng)和樓蓋的剛度相匹配，以保證樓蓋能將全部水平地震作用傳遞給橫墻?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定，多層砌體房屋抗震橫墻的間距，不應(yīng)超過表4的要求。表4抗震橫墻最大間距（m）房屋類別6度7度8度9度多層砌體現(xiàn)澆或裝配整體式鋼筋混凝土樓、屋蓋18181511裝配式鋼筋混凝土樓、屋蓋1515117木樓、屋蓋111174房屋局部尺寸的限制對砌體房屋的窗間距、盡端墻段、女兒墻等的尺寸應(yīng)加以限制，以免在地震作用下，這些部位提前破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)樓面系統(tǒng)破壞甚至整體倒塌。房屋中砌體墻段的局部尺寸限值，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度承重窗間墻最小寬度1.01.01.21.5承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離1.01.01.21.5非承重外墻盡端至門窗洞邊的最小距離1.01.01.01.0內(nèi)墻陽角至門窗洞邊的最小距離1.01.01.52.0無錨固女兒墻（非出入口處）的最大高度0.50.50.50.0設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱震害和試驗(yàn)均表明，在多層磚房中的適當(dāng)部位設(shè)置構(gòu)造柱并和圈梁連接使之共同工作，可以有以下作用：設(shè)置在墻段兩端的構(gòu)造柱能夠提高砌體的受剪承載力10%~30%左右；對砌體房屋起約束作用，使裂開的墻體中的碎塊不易散落，從而使之有較強(qiáng)的極限變形實(shí)力和延性，基本防止了房屋在地震作用下發(fā)生突然倒塌；有效延緩了房屋在余震中的接著損壞。構(gòu)造柱的設(shè)置部位構(gòu)造柱的設(shè)置部位一般應(yīng)符合表6的要求。表6磚房構(gòu)造柱設(shè)置要求房屋層數(shù)設(shè)置部位6度7度8度9度四、五三、四二、三外墻四角；錯層部位橫墻和外縱墻交接處；大房間內(nèi)外墻交接處；大洞口兩側(cè)7度、8度時樓電梯間的四角；隔15m或單元橫墻和外縱墻交接處六、七五四隔開間橫墻（軸線）和外墻交接處，山墻和內(nèi)縱墻交接處；7度、9度時樓、電梯間的四角八六、七五、六三、四內(nèi)墻（軸線）和外墻交接處，內(nèi)墻的局部較小墻垛處；7~9度時樓、電梯間的四角；9度時內(nèi)縱墻和橫墻（軸線）交接處。構(gòu)造柱的截面和配筋構(gòu)造柱最小截面可接受240mm×180mm，縱向鋼筋宜接受4φ12箍筋間距不宜大于250mm，且在柱上下端宜適當(dāng)加密；7度時超過六層、8度時超過5層和9度時，構(gòu)造柱縱向鋼筋宜接受4φ14，箍筋間距不應(yīng)大于200mm；房屋四角的構(gòu)造柱可適當(dāng)加大截面及配筋。構(gòu)造柱的連接構(gòu)造柱和墻的連接。構(gòu)造柱和墻連接處應(yīng)砌成馬牙槎，并應(yīng)沿墻高每隔500mm設(shè)2φ6拉結(jié)鋼筋，每邊伸入墻內(nèi)不宜小于1m。構(gòu)造柱和圈梁連接。構(gòu)造柱和圈梁連接處，構(gòu)造柱的縱筋應(yīng)穿過圈梁，保證構(gòu)造柱鋼筋上下貫穿。構(gòu)造柱和基礎(chǔ)連接。構(gòu)造柱可不單獨(dú)設(shè)置基礎(chǔ)，但應(yīng)伸入室外地面下500mm，或和埋深小于500mm的基礎(chǔ)圈梁連接。對于有個別地區(qū)基礎(chǔ)圈梁和防潮層相結(jié)合，其圈梁標(biāo)高已高出地面，在這種狀況下，構(gòu)造柱應(yīng)伸入地面下500mm。設(shè)置鋼筋混凝土圈梁鋼筋混凝土圈梁是多層磚房有效的抗震措施之一。其可以加強(qiáng)縱橫墻的連接，增加房屋的整體性；提高樓高的水平剛度，使局部地震作用能夠支配給較多的橫墻擔(dān)當(dāng)；限制墻體斜裂縫的開展和延長；可以減輕地震時地基不勻整沉陷對房屋的影響等。圈梁設(shè)置部位裝配式鋼筋混凝土樓、屋蓋或木樓、屋蓋的磚房，橫墻承重時，應(yīng)按表7的要求設(shè)置圈梁；縱墻承重時每層均設(shè)置圈梁，且抗震橫墻上的圈梁間距應(yīng)比表內(nèi)要求適當(dāng)加密。表7磚房現(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁設(shè)置要求墻類烈度6、789外墻和內(nèi)縱墻屋蓋以及每層樓蓋處屋蓋處及每層樓蓋處屋蓋處及每層樓蓋處內(nèi)橫墻同上；屋蓋處間距不應(yīng)大于7m；樓蓋處間距不應(yīng)大于15m；構(gòu)造柱對應(yīng)部位同上；屋蓋處沿全部橫墻且間距不應(yīng)大于7m；樓蓋處間距不應(yīng)大于7m；構(gòu)造柱對應(yīng)部位同上；各層全部橫墻圈梁的構(gòu)造要求圈梁應(yīng)閉合，遇有洞口圈梁應(yīng)上下搭接。圈梁宜和預(yù)制板設(shè)在同一標(biāo)高處或緊靠板底。圈梁在要求的間距內(nèi)務(wù)橫墻時，應(yīng)利用梁或板縫中配筋代替圈梁。圈梁的截面高度不應(yīng)小于120mm，配筋應(yīng)符合表8的要求；當(dāng)多層砌體房屋的地基為軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴(yán)峻不勻整，作為削減地基不勻整沉降影響的措施時，要求增設(shè)的基礎(chǔ)圈梁，截面高度不應(yīng)小于180mm，配筋不應(yīng)少于4φ12。表8磚房圈梁配筋要求配筋烈度6、789最小縱筋4φ104φ124φ14最大箍筋間距/mm250200150鋼筋網(wǎng)水泥漿法加固多層砌體結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)水泥漿法加固磚墻，是把需加固磚墻表面除去粉刷層后，兩面附設(shè)φ4~φ8的鋼筋網(wǎng)片，然后噴射砂漿或細(xì)石混凝土的加固方法。由于通常對墻體做雙面加固，所以加固后的墻體俗稱“夾板墻”。該加固方法可以通過鋼筋網(wǎng)片的套箍作用較大幅度地提高核心墻體的抗壓承載力和墻體的整體性能，是多層砌體結(jié)構(gòu)抗震加固的常用方法。鋼筋網(wǎng)水泥漿法構(gòu)造要求接受水泥砂漿面層加固時，厚度宜為20mm~30mm；接受鋼筋水泥漿面層加固時，厚度宜為30mm~45mm；當(dāng)面層厚度大于45mm時，其面層宜接受細(xì)石混凝土。面層水泥砂漿強(qiáng)度等級宜為M7.5~M15，面層混凝土強(qiáng)度等級宜接受C15或C20。鋼筋網(wǎng)需接受φ4~φ6穿墻“S”形筋和墻體固定，穿墻孔洞必需用機(jī)械鉆成?！癝”形筋間距不應(yīng)大于500mm，對于單面加固的墻體，其鋼筋網(wǎng)可用φ4“U”形筋釘入墻內(nèi)，代替“S”形筋的拉接作用，和墻體固定。為加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)和墻體的固定，必要時在中間還可以增設(shè)φ4“U”形筋鐵釘釘入墻體磚縫內(nèi)。夾板墻受力鋼筋的愛惜層厚度室內(nèi)正常環(huán)境不應(yīng)小于15mm，露天或室內(nèi)潮濕環(huán)境不應(yīng)小于25mm。受力鋼筋距砌體表面的距離不應(yīng)小于5mm受力鋼筋宜接受I級鋼筋；對于混凝土面層，也可接受II級鋼筋。受壓鋼筋一側(cè)的配筋率，對于砂漿面層，不宜小于0.1%；對混凝土面層，不宜小于0.2%。受拉鋼筋的配筋率不應(yīng)小于0.1%。受力鋼筋的直徑不應(yīng)小于8mm。鋼筋的凈間距不應(yīng)小于30mm。箍筋的直徑，不宜小于4mm及受壓鋼筋的0.2倍，并不宜大于6mm。箍筋的間距不應(yīng)大于受壓鋼筋直徑的20倍及500mm，并不應(yīng)小于120mm。鋼筋網(wǎng)的橫向鋼筋遇到門窗洞口時，宜將鋼筋沿洞邊完成90°的直鉤加以錨固。夾板墻的抗震驗(yàn)算在地震地區(qū)接受鋼筋網(wǎng)水泥漿面層加固磚墻時，其截面抗剪承載力可依據(jù)中國建筑科學(xué)院建議的公式計算：QUOTE（5）式中：Vk為樓層第k道夾板墻承受的地震剪力；ζ為截面剪力不勻整系數(shù)，對矩形截面去1.2；fν為磚砌體沿階形界面的抗剪強(qiáng)度，依據(jù)砌體結(jié)構(gòu)規(guī)范取用；fcl為鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；Ac為所驗(yàn)算夾板墻在1/2高處的鋼筋網(wǎng)砂漿面層的截面面積；Asν為單根鋼筋橫截面面積；n為墻體砂漿抹面層的層數(shù)；L為磚墻水平長度?；A(chǔ)隔震技術(shù)所謂基礎(chǔ)隔震，是指在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置某種隔震消能裝置，以減小地震能量向上部結(jié)構(gòu)傳輸，從而達(dá)到減小上部結(jié)構(gòu)的自振周期的目的，如在建筑物底層增加橡膠墊、阻尼器等。目前在日本已經(jīng)發(fā)展起了一些隔震技術(shù)，如夾層橡膠墊隔震、鉛芯橡膠墊隔震、滑動摩擦隔震、滾動隔震層、支承式搖擺隔震、滾軸隔震等各種新的抗震技術(shù)[4]。墻體開縫耗能技術(shù)歷次震害表明，砌體結(jié)構(gòu)寬度較大的墻體由于其“低矮”而呈剪切破壞，產(chǎn)生斜裂縫或X形裂縫。剪切破壞的墻體延性差、