砌体结构抗震的新发展.pdf

第 “卷 第期建筑结构 “ “年月 砌体结构抗震的新发展 周炳章 （北京市建筑设计研究院 1 2 . 6 “ ’ * , * -. * / 0 ’1 2 * 3 * 0 /（A B “ ） ，. 6 19 2 4 * 4 , 2 0 2 4 1 * , 4 0 2 * 0 * . , / 0 . 2 * 0 * / 3 2 , 1 . , 2 2 3 * , - . , / 0 . / , 1，. 6 10 0 / . 2 * * 1 2 3 2 0 1 , 2 0 4 0 2 . -* 0 * . , / 0 . 2 * 0 * / 3 ，. 6 1 2 / 1 0 2 0 . * , * 6 1 , 0 4 0 2 . -* , 1 2 * , 0 1 93 * , -，. 6 10 * 9 2 . 2 * . * 1 . 2 2 1 9 2 6 1 , 9 1 2 ， 9 . 6 19 1 3 9 * , 1 2 3 2 03 1 / , 1* 9 2 1 , 1 .3 * , - . , / 0 . / , 1 , 1 2 . , * 9 / 0 1 9 * , , 1 1 , 1 0 1 . *1 2 1 1 , 7 “ ’ 3 * , - . , / 0 . / , 1； 1 2 3 2 09 1 2 ；0 * 9 1；0 * . , / 0 . 2 * 0 * / 3 ；, 1 2 * , 0 1 93 * , -；0 * . , / 0 . 2 * 一、 引言 砌体结构是一种传统的墙体材料， 在我国的各类 建筑中仍占有C D以上的比例。近些年来， 随着建筑 业的蓬勃发展， 新型墙体材料也不断涌现， 如从欧美引 进的混凝土小型空心砌块就是其中的一种。另外， 结 合就地取材的原则生产的各种地方性砌体材料， 如蒸 压类和烧结类的非粘土多孔砖及实心砖。这都为砌体 结构的应用扩大了领域和范围。 现代砌体结构已与传统的砖砌体有许多区别。按 照砌体中的配筋率大小可将其分为无筋砌体、 约束砌 体和配筋砌体三类， 它们的界限定义为 仅有少量的拉 结钢筋， 含筋量在 E FD以下时， 可称为无筋砌体； 约 束砌体适用于地震设防地区的砌体结构， 如在墙段边 缘设置边缘构件 （钢筋混凝土构造柱） ， 同时， 墙段上下 设置有圈梁， 此类砌体的特点是在砌体周边均有钢筋 混凝土约束构件， 砌体的配筋量为 E FD E FD左 右； 配筋砌体适用于 层以上的中高层建筑， 如配筋 混凝土空心小砌块， 其实质是一种砌筑成型的剪力墙 结构， 其配筋率也接近于现浇钢筋混凝土剪力墙结构， 即在 E “D左右。 G H H年的邢台地震和 G F H年的唐山地震等数十 次破坏性大地震， 以及 G “ 年日本关东大地震等， 几 乎无一例外地表明无筋砌体结构不能经受大地震的考 验。因此， 目前国外抗震规范一般只允许建造层及 层以下的砌体建筑。 尽管砌体结构的抗震性能是如此之差， 然而， 在城 镇建设中， 由于人口集中， 土地有限， 我们不可能把砌 体结构限制过严， 而是要适应发展的需要， 在研究和总 结震害的基础上， 改进砌体结构的抗震性能， 提高它的 建造层数和高度， 满足业主的需要。新修订的 建筑抗 震设计规范（A B “ ） 就适应了这种要求， 提 供了建造较高层数的砌体结构的可能性。 二、 约束砌体的设计计算 砌体结构的脆性性质可以通过配筋或加强边缘约 束来改善。 G F H年唐山大地震以后， 总结唐山地震中 八幢裂而不倒的砌体房屋的经验， 提出了在承重墙体 中设置边缘约束构件的规定。经过了二十多年的实践 考验证明， 设有构造柱的砌体房屋， 在经受九度地震后 未发现有倒塌的实例， 此种做法是安全的。 E大量的构件试验和整体模型房屋振动台试验 的结论 （） 墙体边缘约束构件的截面不宜过大， 配筋不宜 过多。但必须先砌墙， 后浇注构造柱混凝土， 使柱与墙 体能够紧密结合， 共同工作。此类构造柱在墙体受水 平地震作用初期应力极小， 刚度也不大。但当墙体开 裂后柱内应力逐步增大， 直到裂缝贯通墙体， 构造柱才 明显受力直到钢筋屈服。但此时的墙体已破碎， 构造 柱的约束使破碎的墙体不致塌落， 从而达到 “裂而不 倒” 的目标。 （“） 构造柱的设置不能改变刚性砌体的性质。墙 体在竖向和水平地震作用下， 首先沿 I主拉应力的轨 迹开裂， 并逐步延伸， 形成对角的 “J” 形裂缝； 如果墙 GH 段的宽高比较大， 则在墙体中段会出现水平裂缝段。 因此， 构造柱的间距不能过大， 否则将会削弱对墙段砌 体的约束作用。 （） 构造柱必须依靠楼层上下楼盖圈梁的拉结。 构造柱作为一种竖向构件， 一般沿墙高截面不变， 配筋 也少有变化。因此， 在各层柱高处必须有圈梁作为锚 固点， 以形成上下和左右对墙段的约束作用。 楼盖圈梁在多层砌体房屋中很难准确计算， 它的 作用也是多方面的， 如增强拉结， 提高结构的整体性， 抵御地基的不均匀沉降， 加强楼板与墙体的连接等。 而构造柱的作用也是如此， 它在加强墙体之间的连接 方面是明显的， 但它的约束作用一般要在墙体开裂以 后才能发挥， 这是构造柱的特点之一。 （“） 设 置 构 造 柱 后， 墙 体 的 抗 剪 能 力 一 般 提 高 左右。因此应当认为， 提高砌体抗剪强度不是在 墙段两端设置构造柱的主要目的。构造柱的主要作用 在于较大幅度地增大墙体变形的能力， 特别是对墙段 的塑性变形后的约束作用。墙段两端的构造柱既不能 阻止墙体裂缝的出现， 也不能较大幅度地提高墙段的 抗剪能力， 但它使墙段和房屋取得了较大的延性， 从而 减小了突然发生倒塌的危险性。 新抗震设计规范中考虑到上述特点和结论， 并继 续贯彻到有关各项措施中。与此同时， 更考虑到砌体 结构抗震性能的进一步加强和安全性进一步提高的要 求。修订中新增订了关于构造柱在墙段中的最大间距 和构造柱的计算问题。 关于构造柱的设置间距 构造柱间距应分两种情况来区别对待。一种是单 一作为约束边缘构件的构造柱， 此类构造柱的设置主 要考虑约束墙段的长度需要。在以往抗震规范中尚不 明确， 无论在砌体横墙或纵墙中， 均未提出间距的要 求。事实证明， 构造柱的约束作用是有限的。例如在 以往的纵墙中设置构造柱时， 只要求在两端设构造柱， 数十米长的墙两端的构造柱难以约束墙段的破坏， 此 时， 构造柱的数量是远不够的。即使横墙中的构造柱 间距一般可能达’ ’’ ， 构造柱的作用也难以完全 发挥。 根据工程实践经验和有关试验研究资料分析结 果， 新规范对此作了补充和完善 （’） 当层数和房屋高度接近和达到砌体结构限定 高度时， 横墙内的构造柱间距不宜大于层高的二倍， 即 一般 不 宜 超 过 “ ； 纵 墙 内 的 构 造 柱 一 般 不 超 过 * （外纵墙） 和“ （内纵墙） ， 即大致每开间均应 设置一根构造柱。如此要求是十分必要的， 试验证明， 墙段的宽高比超过时， 构造柱的约束作用降低。 （） 在开间较大、 横墙较少的多层住宅中， 当层数 和房屋高度接近和达到砌体结构限定高度时， 对构造 柱设置间距要求更高。在横墙内的柱距不宜大于层 高， 在纵墙内的柱距不宜大于“ ； 同时， 在所有纵横 墙交接处及横墙的中部， 也均应设有构造柱以约束相 应墙段的砌体。 （） 除上述两种情况外， 对一般多层砌体房屋中的 构造柱设置也作了限定， 此处不作详细介绍。 通过上面规定可以看出， 构造柱作为一种约束边 缘构件， 限定其最大间距是十分必要的， 否则将难以发 挥它应有的作用。新规范完善了对多层砌体结构构造 柱设置的规定， 在一定程度上也提高了砌体结构的抗 震安全性， 有效地保证了 “大震不倒” 的抗震设防总目 标的实现， 是非常重要的。 构造柱的计算 按照提高墙段的抗剪强度要求设置构造柱是对构 造柱作用的一种新发展。设置构造柱的目的不同， 因 此设置部位也不同， 此类构造柱一般均布置在墙段中 段。当房屋的设防烈度较高或横墙较少， 墙段不能胜 任所承担的地震作用时， 可采用增设构造柱的做法来 提高墙段的抗剪强度， 一般的构造做法是 （’） 构造柱宽度同墙厚； 沿墙段长度可以有所变 化， 一般不宜过长。墙厚分’ * 和 “ 两种， 最小截面 不小于 “ “ 或’ * ， 但其长 度以不超过 为宜。 （） 在一般多层砌体的层高范围内， 构造柱的间距 宜不大于“ 。构造柱间距过大， 对提高墙体的抗剪能 力会有不利影响； 但也不可将构造柱断面设计过大， 否 则砌体和柱的模量相差很大， 难以共同工作。 （） 有中段构造柱墙段的抗剪承载力计算 ’ , - ［“ .“/ - （.） “0. 1“23］ 式中 为砌体墙段截面总面积；.为墙段中部构造 柱横截面总面积； “/ -为砌体沿阶梯形截面破坏的抗震 抗剪强度设计值； , -为承载力抗震调整系数， 墙段两 端有柱取 *， 一边有柱或两端无柱取’ ， 自承重墙 取 4 ； “0为中段构造柱的混凝土轴心抗拉强度设计 值； 3为中段构造柱的纵向钢筋截面总面积；“2为钢 筋抗拉强度设计值； 为中段构造柱参与工作系数， 居 中设一根时取 ， 多于一根时取 “； “.为墙体约束 修正系数， 一般情况取’ ， 构造柱间距小于 1 时 取’ ’。 以上数据主要是建立在一批试验墙体分析的基础 上的， 因此应当说是一个经验公式， 尚不很完善。待今 后积累数据增多后， 可以改进。但较以往用弹性模量 折算的办法确是前进了一步。 4 计算构造柱抗剪作用的方法主要是为了提高墙段 的抗震能力， 满足抗震设防地区对多层砌体结构的抗 剪要求。因此， 中段构造柱的作用不同于设置在墙段 边缘的约束构造柱， 两者从概念上不能混为一谈。 三、 配筋砌体结构的设计计算 砌体结构要改变传统概念上的脆性性质， 突破现 有条件下的层数和高度限制， 以及使之更有效地应用 于抗震设防地区， 应该采用配筋砌体。 实心粘土砖及多孔砖、 蒸压类砖等强度仅能达到 “ （抗压强度 ） ， 且孔洞率较小， 不适宜砌筑 配筋砌体。混凝土小型空心砌块的孔洞率可达’ 左右， 强度可达“ ， 是配筋砌体的理想材料。近些 年来， 国外建造了一批 *层的试点工程。国内如 上海、 沈阳、 抚顺等地也相继建成一批 *层的试 点工程， 说明配筋砌块砌体结构有一定的市场。 配筋砌块砌体墙的力学性能与钢筋混凝土墙的非 常接近， 因为同属一种材料， 仅在构造上有所区别。因 此， 如正截面承载力的计算， 配筋砌块可采用与钢筋混 凝土完全相同的基本假定和计算模式， 仅是砌块墙中 灌芯砌体的极限压应变应有所区别。配筋砌块剪力墙 的抗剪承载能力主要与下列因素有关 （） 砌块砌体剪力墙的轴压比 剪力墙的轴压比对抗剪承载力的影响是比较明显 的。在轴压比不大的情况下， 墙体的抗剪能力和变形 性能是随 的增加而增加的； 但是， 当达到一定数 值后， 墙体的承载力反而会下降， 而且破坏形态也会改 变。因此， 要对剪力墙轴压比加以限制。根据我国的 试验数据， 需控制砌块剪力墙中正应力， 对抗剪承载力 的提高不大于 （为轴向力） 。 （） 砌块剪力墙的高宽比或剪跨比 当剪跨比较小时， 如“， 则主要为剪切破坏； 当 ““时， 则趋于弯曲破坏。剪切破坏的墙体抗侧承载 力远小于弯曲破坏的墙体抗侧承载力。因此， 设计时 应尽量避免墙体的剪切破坏。 两种破坏形态还与轴向正应力 有关。根据国 内试验资料， 一般认为“, 左右作为两种破坏形态 的分界值比较适宜。 （-） 配筋砌块砌体剪力墙中的钢筋 砌体剪力墙中的钢筋提高了墙体的变形能力和抗 剪能力。其中水平钢筋的配置在通过斜截面上直接受 拉抗剪， 但在墙体开裂前则几乎不受力， 待墙体开裂后 水平钢筋才参与工作， 直至达到屈服。竖向钢筋的抗 剪作用主要通过销栓作用使钢筋受力， 但一般墙体达 到极限荷载时， 钢筋也不能全部达到屈服， 仅有部分竖 向钢筋屈服。 配筋砌块砌体剪力墙的抗剪承载力除决定于上述 诸因素外， 还与砌块及灌芯混凝土的强度有关。配筋 砌块砌体剪力墙一般要求灌实全部或大部分孔洞。因 此， 砌筑砂浆的强度对墙体的抗剪承载力影响减小， 使 此种墙体的抗剪性能更接近于钢筋混凝土剪力墙。 配筋砌块砌体剪力墙的抗震设计遵循 “强剪弱弯” 的原则。按照不同的抗震等级， 加强底部剪力墙的承 载能力， 可分别取 .倍进行设计。 配筋砌块砌体剪力墙截面组合的剪力设计值应满 足 当剪跨比大于时 “ / 0 （ 1 2 33） 当剪跨比小于时 “ / 0 （ ’ 1 2 33） 式中 1 2 为灌芯砌块砌体抗压强度设计值； 3，3分别 为剪力墙截面的宽度和高度； / 0为承载力抗震调整系 数， 取 * ’。 偏心受压配筋砌块砌体剪力墙截面的受剪承载力 应满足 “ “/ 0 “’ ’ （’ 4 * 1 5 33’ ［ ） ’ 6 7 8 9 * ］3 ’ ’“ / 0 （’ 6 7 8 9 8 *3 ） 式中 为剪力墙轴压力设计值， 不大于 1 2 33； “为计算截面剪跨比， 取“,／“ 3， 当“小于 ’时 取 ’， 当“大于 时取 ； 1 5 为灌芯砌块砌体抗 剪强度设计值， 可取 1 5 , ’ ’ 1 2 ； 9 8为同一截面的 水平钢筋截面积； *为水平分布筋间距； 7 8 为水平分布 筋抗拉强度设计值； 3 为剪力墙截面有效高度；/ 0取 值同上。 配筋砌块砌体剪力墙结构中， 连梁作为整体结构 的第一道防线， 即设计时应使连梁先于剪力墙破坏， 从 而保证墙体的安全。在对连梁设计时， 应使连梁斜截 面抗剪能力大于正截面抗弯能力， 从而体现 “强剪弱 弯” 的原则要求。 配筋砌块砌体剪力墙连梁可以是配筋砌块连梁， 也可以是现浇钢筋混凝土连梁。当跨高比较小时， 如 小于 ’， 即似 “深梁” 的范围； 而当跨高比大于 ’时， 即似 “浅梁” 范围， 此时受力则更如大剪跨比的剪力墙。 因此， 剪力墙连梁除满足正截面承载力要求外， 还应满 足受剪承载力的要求， 以避免连梁产生受剪破坏后导 致剪力墙因延性降低而破坏。 考虑到连梁受力较大、 配筋较多时， 会给砌块砌体 施工带来困难， 因此， 规定跨高比大于 ’时， 应采用 现浇钢筋混凝土连梁， 而不允许采用砌块砌体连梁。 6 配筋砌块砌体剪力墙连梁的截面组合设计值和斜 截面受剪承载力的计算， 均同 混凝土结构设计规范 中的连梁计算。 四、 抗震措施 抗震设计应该包括两部分内容 一是抗震验算； 二 是抗震措施。两者不可偏废； 在某种程度上， 抗震措施 的重要性甚至更应突出。 砌体结构的抗震措施可分为两部分， 一部分是共 性的规律， 如抗震设计的基本要求中列举的条款。如 不应采用严重不规则的方案； 应使平面布置规则、 对 称； 立面和竖向设计应规则， 结构的侧向刚度应均匀变 化， 避免有突变； 尽量选择有多道设防的结构体系； 保 证结构有良好的整体性， 以及在结构材料、 场地地基方 面的选择等诸如此类与概念设计有关的原则， 仍将继 续遵守和沿用。此外， 在砌体结构抗震构造措施方面， 新规范提出了若干新的改进措施， 列举如下 （） 各类砖砌体结构 新规范针对各类砖砌体的应用范围作了扩大。根 据各地资源情况， 不但对传统的粘土类砖的抗震提出 了措施要求， 考虑到全国各地资源分布不同， 还列入了 蒸压类砖砌体、 非粘土类砖砌体以及多孔砖砌体等。 这就使砖砌体适应的范围更大， 基本包含了全国六度 以上地震区的城镇建筑。 结合近十余年来大量工程实践的震害经验， 在结 构抗震构造措施方面的改进主要有 ） 对钢筋混凝土 构造柱和圈梁的要求提出了更为严格的设置和连接规 定， 取消了可以隔层设圈梁的要求； “） 对楼、 屋盖与墙 体连接的要求， 规定为了加强楼、 屋盖的边缘构件， 即 使在现浇钢筋混凝土楼板中， 亦应沿周边加强配筋构 造， 以保证楼板边沿与墙的可靠连接； ） 对于大开间、 少横墙的砌体建筑， 提出应降低层数和高度的要求， 或 者采取一系列补强措施， 以弥补由此带来的不足； ） 对 于教学楼一类横墙很少的建筑， 近年的震害再次证明 破坏很严重， 因此要求严格控制建造层数和高度， 即比 一般砌体结构降低“层或 ， 同时， 还须从抗震构造 措施上加强， 来保证此类结构的整体安全。 （“） 多层砌块建筑 多层砌块的规格与国外一致， 采用 ’ ’ ’ 带单排孔的块型， 孔洞率为* 左右， 用砂浆砌 筑。此类结构由于取材较易， 加工生产也并不复杂， 特 别是有良好的环境效益， 日后将成为我国替代粘土类 制品的最佳选择。 目前， 多层砌块允许建造高度与一般砌体相同， 造 价亦相当接近。其抗震性能经过近十余年的研究， 只 要采取适当措施， 抗震性能有可能超过一般砌体结构。 多层砌块砌体结构有二种构造做法 一种是从国外引 进的传统的芯柱做法， 即利用砌块的孔洞， 在部分孔洞 中插入钢筋并灌实混凝土， 形成芯柱体系； 另一种做法 是我国近年来研究成功的芯柱加构造柱体系， 即在墙 体连接部位采用现浇钢筋混凝土构造柱， 在门窗洞口 或墙段中段做芯柱。后者更具有吸引力和发展前途。 多层砌块砌体结构仍属刚性结构， 其抗震特性与 一般砌体结构十分相似。因此， 除结合材料本身的特 点外， 其它各项抗震措施均适用。 （） 底部框架,抗震墙房屋 这是我国砌体结构的一种特有形式， 上部为多层 砌体， 下部为钢筋混凝土框架,抗震墙。这一结构形式 的出现， 主要是因为在住宅区中沿街需要开设商店， 因 而对空间有较大较高的要求。但是， 应当认为此类结 构形式对结构抗震是不利的， 结构沿高度方向不但刚 度变化， 连材料都不相同。地震震害也表明此类结构 倒塌破坏较多。但是， 考虑到目前的经济发展水平， 全 部沿街住宅采用框架或框架,抗震墙结构从经济上是 不合理的， 造价会有相当的增加。因此， 从经济效益考 虑， 暂时还须采用此类结构形式。但同时必须提出更 严格、 可靠的抗震构造措施， 以防不测。 底部框架,抗震墙结构首先要对沿高度方向的刚 度变化严格控制在允许范围之内。同时， 保证底部一 层或两层框架,抗震墙结构不首先破坏。 规范还特别重视对此类结构的过渡层的抗震构造 措施。过渡层是不同材料和不同刚度变化的转折点， 因此， 加强该层的构造要求是设计的关键。过渡层设 计是新规范的重点。 底部框架,抗震墙结构中的托墙梁是整个结构中 的重要构件。托墙梁承托上部各层承重墙的荷载， 其 设计计算更值得重视。作为托墙梁能否按照一般墙梁 的原理进行计算， 目前意见尚不一致。因为当地震作 用时， 上层墙体有可能开裂损坏， 墙梁作用有所损失， 但如何估算此类损失却是比较困难的。因此， 设计上 的简化处理以满荷载居多。对托墙梁在构造上提出了 一系列比较严格的要求， 这是十分必要的。比如对梁 高及腰筋， 钢筋锚入柱或墙的要求， 上下墙和梁的对齐 要求等等， 都是为了保证托墙梁的可靠工作。 五、 结语 砌体结构既是一种量大面广的结构形式， 又是一 种抗震性能较差的结构形式。我们不可能彻底淘汰 它， 摒弃它， 只有面对现实， 孜孜不倦， 深入研究它， 提 高它的抗震性能， 不断赋予砌体结构新的内容、 新的理 念， 使砌体结构具有更好的抗震性能和安全性， 这就是 我们研究的目的。 “-