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第 卷 第“ 期建筑结构 年“ 月 砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋的抗震性能 高小旺 （中国建筑科学研究院北京“ “ ） ［提要］ 依据试验研究的成果， 概要地介绍了砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋的受力特点、 破坏形态和 极限承载能力， 评价了这类房屋的抗震性能， 给出了这类房屋进行抗震设计的要求。可供从事组合砌体结构 设计的工程师参考。 ［关键词］ 组合结构抗震性能砌体墙钢筋混凝土剪力墙 3 3 一、 前言 随着城市建设的发展和生活水平的提高， 人们要 求建造功能完善和更加适用的住宅体系。这就提出了 在AB层的多层住宅中增设电梯， 在横墙较少的大客 厅以及均为厚 C 22砖墙 （或厚“ D 22的空心混凝 土小型砌块墙） 的外墙外加保温板等要求。若仍然采 用多层砌体房屋则较难满足上述要求。在实际工程 中， 有的设计人员对不能满足抗震设计要求的局部尺 寸和开洞率过大的纵墙等， 认为加大构造截面或形成 短肢的钢筋混凝土抗震墙， 就满足了抗震设计要求。 这种少量增设钢筋混凝土墙的组合结构的受力特点是 否与多层砌体结构相同， 砌体结构的抗震设计要求是 否适合于这类组合结构， 通常工程技术人员采用把混 凝土墙按弹性模量比折算为砖墙面积的抗震承载力验 算方法是否安全、 合理等等， 都是需要依据试验和分析 研究给予讨论清楚的。 下面依据对这类房屋的模型试验和分析研究， 概 要介绍砖墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋的受力特点 和抗震性能。 二、 砌体墙与钢筋混凝土墙组合房屋的受力特点 砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋的受力特点 与砌体房屋有较大的区别。多层砌体房屋为剪切变 形。砖墙与钢筋混凝土墙组合结构中的钢筋混凝土墙 为弯曲变形或弯剪变形。因此， 这类结构具有在同一 楼层变形协调即协同工作的特征， 也就是说具有类似 于高层框架抗震墙结构的变形特征， 但也有较大的差 异。这主要是这类组合结构的砌体墙占主要部分， 其 剪切变形为主体， 在高层框架抗震墙结构中的钢筋混 凝土墙的高宽比均大于C E ， 在简化计算中可以忽略 钢筋混凝土抗震墙的剪切变形； 而在这类组合结构中， 钢筋混凝土墙的高宽比一般在 E FC E F左右， 若仍忽 略剪切变形， 则会带来较大的误差。这就提出了应建 立适合这类组合结构变形和受力特点的分析方法和抗 震设计的要求。 试验和分析结果表明 ［“，］， 由于砖墙与钢筋混凝 土墙的协同工作作用， 结构处于弹性状态时， 其底部楼 层的层间位移较多层砌体房屋小， 按协同工作分配给 砖墙的地震剪力也并不是底层为最大。这就提出了这 类组合结构中砌体墙的承载能力与各楼层所承担的地 震剪力相适应的问题。若不考虑这个问题， 则会出现 较弱的薄弱楼层和实际达不到抗震安全要求的状况。 三、 砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构的抗震性能 为了检验这类房屋在垂直和水平往复荷载作用下 的破坏特点和规律， 探讨这类房屋整体弯曲的影响、 砖 墙与钢筋混凝土墙在各阶段协同工作特征以及钢筋混 凝土墙弯曲变形对砖墙承载力的影响， 进行了总层数 为B层的砖墙与钢筋混凝土墙组合结构的“／比例模 型抗震试验研究。试验模型的平、 剖面图见图“。 图“砖墙与钢筋混凝土墙组合结构“／比例模型平、 剖面图 “A （一） 模型的开裂状况 在水平往复加载的试验过程中， 最先开裂的楼层 为层砖墙， 而此时层“砖墙和钢筋混凝土墙还没有 出现可见的裂缝。这反映了这类组合结构协同工作的 特点， 对于层砖墙与钢筋混凝土墙“／比例的模型， 其砖墙部分层承担的地震剪力最大。 （二） 模型的破坏状态 砖墙与钢筋混凝土墙组合结构模型的破坏状态， 可分为砖墙与钢筋混凝土墙两种类型。 “ 钢筋混凝土抗震墙 组合结构模型中钢筋混凝土墙的高宽比为 ’左 右， 为高剪力墙， 其破坏状态为弯曲破坏。模型试验的 结果是， 钢筋混凝土墙的开裂和裂缝开展均在底层， 在 层以上钢筋混凝土墙没有出现裂缝。对钢筋混凝土 墙暗柱钢筋的应变记录也再一次说明了这一点， 当混 凝土墙底层暗柱钢筋的底部应变达到 ， 已经超 过钢筋极限应变时， 而同一暗柱在层钢筋的底部应 变仅为’ “ “ ， 还没有达到钢筋的屈服应变。另一方 面， 从钢筋混凝土墙底层水平钢筋的应变与竖向钢筋 的应变对比也可以看出， 在记录到的最后一级荷载时 水平钢筋的最大应变仅为 。 在钢筋混凝土墙开裂后， 其抗弯刚度迅速降低， 试 验模型的变形特征由弯剪型趋于剪切变形比较大的剪 弯型。因此， 在钢筋混凝土墙的底层出现了多条裂缝， 如图所示。 砖抗震墙 砖抗震墙又可分为横向砖抗震墙与纵向砖抗震 墙。由于这次模型试验的加载方向仅为横向， 所以纵 向砖墙的裂缝并不是平面内加载形成的， 而是由横向 变形引起的。 （“） 横向砖抗震墙 砖墙与钢筋混凝土墙组合结构中的砖抗震墙的开 裂过程与多层砌体结构有所不同。在多层砌体房屋 中， 一般底层先开裂， 这是由于剪切型结构底层的地震 剪力最大。对于没有设置构造柱的砌体房屋， 其裂缝 一般仅限在底层， 对于设置了构造柱的砌体房屋， 其裂 缝还要向上部楼层开展， 但率先开裂的楼层为底层。 而协同工作的砖、 混凝土墙组合结构模型率先开裂的 楼层是砖墙分配地震剪力最大的楼层， 即层。 层砖墙开裂后继续加载， 则钢筋混凝土墙也相 继在底层出现裂缝。当钢筋混凝土墙开裂后， 其弯曲 刚度降低， 则结构内力由弯剪型的协同分配逐渐变为 剪切型分配， 所以层“， 砖墙和层以上砖墙也先后 开裂， 则层““砖墙的破坏较上部几层严重得多。如 图所示。 从对轴与轴交接处构造柱钢筋的应变记录也 可以看出这类组合结构钢筋混凝土开裂前后的内力分 布变化。在钢筋混凝土墙没有出现裂缝时， 该构造柱 层““底部的钢筋应变大体在一个量级上。在钢筋 混凝土墙开裂后， 其构造柱底层柱底钢筋的应变明显 增大， 其最大值已超过了钢筋的极限应变。 （） 纵向砖抗震墙 在砖墙与钢筋混凝土墙组合结构房屋中， 钢筋混 凝土墙具有较好的抗震能力， 在钢筋混凝土墙开裂前， 由于协同工作， 其底部几层的层间位移相对于多层砖 房的层间位移要小一些。采用有限元方法分析房屋整 体弯曲对砖墙承载力的影响结果表明 ［］， 同样高宽比 的砌体结构和组合结构相比较， 其组合结构由于混凝 土墙有较好的抗弯刚度， 其影响还要小一些。 但在钢筋混凝土墙开裂后， 这类组合结构的抗弯 能力明显减弱， 外纵墙因继续加载的位移增大在底层 和层出现了水平裂缝。在模型试验的最后一级加 载， 其顶点位移角为“／* *时， 不仅外纵墙水平裂缝继 续扩展， 而且内纵墙也出现了明显的裂缝。 图模型裂缝图 四、 砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构的抗震能力 模型试验和分析结果表明， 设置一定数量钢筋混 凝土墙的组合结构具有较好的抗震性能。这类结构的 抗震性能取决于钢筋混凝土墙的布置、 数量和砌体墙 的构造措施等。 评价这类房屋的抗震能力应依据其受力、 变形特 点和组成结构的两类构件的承载能力等方面来进行。 在 “小震” 作用下， 应按协同工作分配的地震作用进行 抗震验算和构件设计。在 “大震” 作用下， 这类房屋的 抗震能力分析应分别分析这类房屋中砌体墙和钢筋混 凝土墙的承载能力， 考虑这两类构件中同类构件开裂 和达到极限承载能力先后的内力重分布， 可在横向和 纵向分别对这两类构件的抗震承载能力给予集合， 并 与 “大震” 作用下按弹性协同工作分配的地震作用剪力 或弯矩相比较， 其薄弱楼层中比值系数较小的一类构 件破坏严重。工程实例和大量算例表明， 其比值系数 与钢筋混凝土墙数量的多少有关。当钢筋混凝土墙设 置较多时， 则因钢筋混凝土墙协同分配的地震作用较 多使得其比值系数相对于该结构的砌体墙构件要低一 些， 但是总体上这两类构件的比值系数是在一个量级 上的 ［］。 鉴于这类结构无论在弹性阶段还是在弹塑性阶段 均能较好地协同工作， 所以对其抗震能力的评价应以 综合整体抗震能力为标准。其综合抗震能力评价指标 可用下式计算 “ （）“ “ （） （） （） 式中， “ （） 为砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构第层 的层间极限剪力系数，“（） 为第层砌体墙与钢筋 混凝土墙的受剪极限承载力，（） 为 “大震” 作用下 第层按弹性分析的弹性地震剪力。 关于砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构楼层受剪极 限承载力“（） 的计算是一个较为复杂的问题。这是 由于砌体墙和钢筋混凝土墙不会同时达到极限承载 力， 考虑到从总体上这类结构仍是砌体墙为主要抗侧 力构件， 应以砌体墙达到极限承载力时来考虑钢筋混 凝土墙尚未达到极限承载力的状况， 可采用下式计算 “ （）““ （） ’ “（）（*） 式中，“ （） 为 第层 砌 体 墙 的 受 剪 极 限 承 载 力， “（） 为第层钢筋混凝土墙的受剪极限承载力。 关于砌体墙与钢筋混凝土墙的受剪极限承载力计 算公式可参考文 ［］ 。 在 “大震” 作用下， 砌体墙与钢筋混凝土墙组合结 构破坏状态的分析， 可以 “ （） 值相对较小的薄弱楼 层来进行判断 当薄弱楼层 “ （） ’ 时为倒塌， ’ ““ （） ’ 时为严重破坏。 五、 砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构的抗震设计 要点 依据模型试验和对这类组合结构的弹性、 弹塑性 及其抗震能力的分析， 着重提出以下几点。 ’钢筋混凝土墙的布置和数量 在这类结构体系中钢筋混凝土墙的抗弯刚度比较 大， 能较好地减轻地震作用对砌体墙的弯曲影响。充 分发挥钢筋混凝土墙的协同工作作用是提高这类结构 抗震性能的关键， 因此， 应有一定数量的钢筋混凝土 墙， 其承担的地震弯矩不宜小于结构底部总地震倾覆 力矩的* ,。钢筋混凝土墙的布置宜分散、 均匀、 对 称且纵横墙尽量相连， 沿竖向应连续， 截面尺寸沿高度 可递减， 但不应小于 - ..， 且不应小于层高的／* 。 * ’砌体墙的砂浆强度等级 这类结构协同工作的变形和受力特点， 使得砌体 墙所承担的地震剪力并不是底层最大的， 但在 “大震” 作用下， 钢筋混凝土墙开裂后的抗弯刚度要降低。基 于上述特点， 其砌体墙的砂浆强度等级可按下列原则 采用 当这类结构总层数为/， 0层， 底部-层的砌筑砂 浆强度等级应均为1 ； 当这类结构总层数为2层时， 底部层的砌筑砂浆强度等级应为1 ； 其余楼层可 为1 / ’ 。 ’砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构的抗震分析 这类结构的抗震分析， 不仅应考虑其协同工作， 同 时还应考虑钢筋混凝土墙的剪切变形。将钢筋混凝土 墙用弹性模量等效为剪切变形为主的砖墙的做法是不 符合这类结构变形和受力特点的。 - ’主要构造措施 （） 砌体墙的构造柱应设置在内外纵横交接处和 较 大 的 洞 口 两 侧， 底 层 外 纵 墙 构 造 柱 的 截 面 宜 为 * - ..3 ..， 主筋可为2 2。 （*） 钢筋混凝土墙宜设置构造边缘构件。 （） 各层楼板均应为现浇钢筋混凝土板。 六、 结语 概要介绍了砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构的受 力和变形特点、 抗震性能和抗震设计要点。从中不难 看出， 目前有些砌体房屋中增设部分短肢钢筋混凝土 墙以解决局部尺寸和承载能力不足的方案是不可取 的， 这是由于较少的钢筋混凝土墙会在局部形成协同 工作而先出现破坏； 而局部增设部分短肢钢筋混凝土 墙采用按弹性模量等效为砌体墙的计算方法也是缺乏 试验依据的， 短肢钢筋混凝土墙为弯曲杆而不是剪切 杆。因此， 建议当砌体结构局部尺寸和承载能力不满 足时应优先考虑采用水平配筋砌体； 若增设钢筋混凝 土墙则应按砌体墙与钢筋混凝土墙组合结构的受力变 形特点进行抗震分析和设计。 参考文献 ’高小旺等4八层砖墙与钢筋混凝土墙组合结构／*比例模型抗震 试验研究4建筑结构学报， ，* （）4 * ’高小旺等4砖墙与钢筋混凝土墙组合结构地震作用内力的简化分 析方法4中国建筑科学研究院工程抗震研究报告， /4 ’沈聚敏， 周锡元， 高小旺等4抗震工程学4中国建筑工业出版社， * 4 /