淺談多層砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震

其米旺姆

[摘 要]去年在四川發(fā)生的汶川8級地震造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。使得人們對日常生活和居住的建筑的安全性有了更高的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計,砌體結(jié)構(gòu)在整個建筑工程中,占80%以上。由于砌體結(jié)構(gòu)材料的脆性性質(zhì),其抗剪、抗拉和抗彎強(qiáng)度很低,所以砌體房屋的抗震能力較差。在國內(nèi)外歷次強(qiáng)烈地震中,砌體結(jié)構(gòu)破壞率是相當(dāng)高的。如何提高砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力,將是建筑抗震設(shè)計中一個重要課題。

[關(guān)鍵詞]砌體結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;震害

砌體房屋是指用普通黏土磚、承重黏土空心磚、混凝土中小型砌塊、粉煤灰中小型砌塊和毛石等塊材,通過砂漿砌筑而成的房屋。砌體結(jié)構(gòu)在我國建筑工程中,特別是在住宅、辦公樓、學(xué)校、醫(yī)院、商店等建筑中,獲得了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計,砌體結(jié)構(gòu)在整個建筑工程中,占80%以上。由于砌體結(jié)構(gòu)材料的脆性性質(zhì),其抗剪、抗拉和抗彎強(qiáng)度很低,所以砌體房屋的抗震能力較差。在國內(nèi)外歷次強(qiáng)烈地震中,砌體結(jié)構(gòu)破壞率是相當(dāng)高的。1923年日本關(guān)東大地震,東京約有7 000幢磚石房屋,大部分遭到嚴(yán)重破壞,其中僅有1 000余幢平房可修復(fù)使用。又如,1948年蘇聯(lián)阿什哈巴地震,磚石房屋破壞率達(dá)70%～80%。我國近年來發(fā)生的一些破壞性地震,特別是1976年的唐山大地震,磚石結(jié)構(gòu)的破壞率也是相當(dāng)高的。據(jù)對唐山烈度為10度及11度區(qū)123幢2～8層的磚石結(jié)構(gòu)房屋的調(diào)查,倒塌率為63.2%;嚴(yán)重破壞的為23.6%,尚可修復(fù)使用的為4.2%,實際破壞率,高達(dá)91%。另外根據(jù)調(diào)查,該次唐山地震9度區(qū)的漢沽和寧河,住宅的破壞率分別為93.8%和83.5%;8度區(qū)的天津市區(qū)及塘沽區(qū),僅市房管局管理的住宅中,受到不同程度損壞占62.5%;6～7度區(qū)的北京,磚混結(jié)構(gòu)也遭到不同程度的損壞。另去年在我國四川汶川發(fā)生的歷史罕見的大地震,震級達(dá)到里氏8級,最大烈度達(dá)到11度。據(jù)報道,受災(zāi)特別嚴(yán)重的北川縣老縣城的80%、新縣城60%以上建筑垮塌,北川縣城基本已經(jīng)被夷為平地。在此次地震災(zāi)區(qū)完全垮塌的房屋中,砌體結(jié)構(gòu)占了絕大多數(shù)。

從我國國情出發(fā),在今后一定時間,砌體結(jié)構(gòu)仍然將是城鄉(xiāng)建筑中的主要結(jié)構(gòu)形式之一。因此,如何提高砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震能力,將是建筑抗震設(shè)計中一個重要課題。

一、震害及其分析

人們常說,地震來襲時地動山搖,房屋隨之倒塌。確實,由于建筑物依附在地球表面,建筑物受地震破壞的方式主要受地震波的傳播方式影響。地震波傳播方式有縱波、橫波、面波。

縱波使建筑物上下顛簸,力量非常大,建筑物來不及跟著運動,使底層柱子和墻突然增加很大的動荷載,疊加建筑物上部的自重壓力,若超出底層柱、墻的承載能力,柱、墻就會垮掉。底層垮掉后,上面幾層建筑的重量就像錘子砸下來一樣,又使第二層壓壞,發(fā)生連續(xù)倒塌,整個建筑直接“坐”下來,原來的第三層瞬間變?yōu)椤暗谝粚印薄?/p>

橫波使建筑物水平搖擺,相當(dāng)于對建筑物沿水平方向施加了一個來回反復(fù)的作用力,若底部柱、墻的強(qiáng)度或變形能力不夠,就會使整棟建筑物向同一方向歪斜或傾倒,在震區(qū)常?？吹竭@種現(xiàn)象。

面波使建筑物扭轉(zhuǎn)。引起扭轉(zhuǎn)的原因是有的地震波本身就是打著“旋兒”過來的,也有的情況是因為面波到達(dá)建筑物兩端早晚的時間差引起的。這種情況引起建筑物扭動。建筑物一般抗扭能力較差,很容易扭壞。震區(qū)有的房子角部坍塌,多屬這種情況。

一旦碰到上下顛、左右搖、扭轉(zhuǎn),三種方式共同發(fā)生,破壞力就更加可怕。在離震中較近的范圍,往往三種方式交織作用,所以破壞力很大。此外,每個建筑物都有自己特定的自振頻率,如果這個頻率與地震作用的頻率接近,還會引起類似共振的效應(yīng),那樣帶來的破壞力就更可怕了。

在強(qiáng)烈地震作用下,多層砌體房屋的破壞部位,主要是墻身和構(gòu)件的連接處,樓蓋、屋蓋結(jié)構(gòu)本身的破壞較少。下面根據(jù)歷次地震的宏觀調(diào)查結(jié)果,對多層房屋的破壞規(guī)律及其原因作一簡要說明。

1.墻體的破壞。在砌體房屋中,與水平地震作用方向平行的墻體是主要承擔(dān)地震作用的構(gòu)建。這類墻體往往因為主拉應(yīng)力強(qiáng)度不足而引起斜裂縫破壞。由于水平地震反復(fù)作用,兩個方向的斜裂縫組成交叉型裂縫。這種裂縫在多層砌體房屋中一般規(guī)律是下重上輕。這是因為多層房屋墻體下部地震剪力大的緣故。

2.墻體轉(zhuǎn)角處的破壞。由于墻角位于房屋近端,房屋對它的約束作用減弱,使該處抗震能力相對降低,因此較易破壞。此外,在地震過程中當(dāng)房屋發(fā)生扭轉(zhuǎn)時,墻角處位移反應(yīng)較房屋其它部位大,這也是造成墻角破壞的原因。

3.樓梯間墻角的破壞。樓梯間除頂層外,一般層墻體計算高度較房屋其他部位墻體小,其剛度較大,因而該處分配的地震剪力大,故容易造成震害。而頂層墻體的計算高度又較其他部位大,其穩(wěn)定性差,所以也易發(fā)生破壞。

4.內(nèi)外墻連接處的破壞。內(nèi)外墻連接處是房屋的薄弱部位,特別是有些建筑內(nèi)外墻分別砌筑,以直槎或馬牙槎連接,這些部位在地震中極易拉開。造成外縱墻和山墻外閃、倒塌等現(xiàn)象。

5.樓蓋預(yù)制板的破壞。由于預(yù)制板整體性差,擋板的搭接長度不足或無可靠拉結(jié)時,在強(qiáng)烈地震過程中極易塌落,并常造成墻體倒塌。

6.突出屋面的屋頂間等附屬結(jié)構(gòu)的破壞。 在房屋中,突出屋面的屋頂間(電梯機(jī)房、水箱間等)、煙囪、女兒墻等附屬結(jié)構(gòu),由于地震“鞭端效應(yīng)”的影響,所以一般較下部主體結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,幾乎在6度區(qū)就發(fā)現(xiàn)有所破壞。特別是較高的女兒墻、出屋面的煙囪,在7度區(qū)普遍破壞,8～9度區(qū)幾乎全部損壞或倒塌。

二、抗震設(shè)計

砌體結(jié)構(gòu)就其材料性能而言,確實有它的劣勢,但是多層房屋并非砌體結(jié)構(gòu)就不能抗震。在此次地震災(zāi)區(qū)完全垮塌的房屋中,砌體結(jié)構(gòu)占了絕大多數(shù),但是未倒塌且在地震作用下表現(xiàn)優(yōu)秀的砌體結(jié)構(gòu)房屋也不在少數(shù),如在去年的汶川大地震中北川縣城、漢旺鎮(zhèn)內(nèi)不少五、六層的砌體結(jié)構(gòu)房屋并未坍塌,有些表現(xiàn)良好,只是不同程度地出現(xiàn)了一些裂縫。如北川縣城內(nèi)一棟60年代修建的老建設(shè)局辦公樓,共4層,震后墻面竟未發(fā)現(xiàn)裂縫;漢旺鎮(zhèn)近幾年修建的一個6層樓家屬住宅區(qū),震后無一棟出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。這是因為,凡是嚴(yán)格按照我國現(xiàn)行“抗震設(shè)計規(guī)范”設(shè)計、砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范、施工保證質(zhì)量的砌體結(jié)構(gòu)房屋,就能經(jīng)受住本次罕遇地震的考驗。因此筆者認(rèn)為,在多層磚混房屋抗震設(shè)計上應(yīng)注重以下幾方面。

1.砌體房屋的層數(shù)及高度的限制。歷次震害證明,砌體房屋的層數(shù)越多,高度越高,它的地震破壞程度(下轉(zhuǎn)93頁)(上接91頁)越大,所以控制磚砌體房屋的總高度及總層數(shù)對減少地震時帶來的震害有很大的作用?，F(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2001)對多層砌體房屋的總高度和總層數(shù)有了強(qiáng)制性規(guī)定,在設(shè)計中房屋總高度及總層數(shù)應(yīng)滿足上標(biāo)的限值,因為樓蓋重量占房屋總重的一半左右,房屋總高度相同,多一層樓蓋就意味著增加半層樓的側(cè)向地震作用,同時加大對底部的傾覆力矩。在中、強(qiáng)地震作用下,因傾覆力矩過大,使得底部墻體產(chǎn)生過大的壓力或剪刀而被破壞,故此減輕自重、減少層數(shù)、降低層高是削弱地震影響的有效途徑之一。

2.砌體房屋的的體形限制。體形規(guī)則、均勻、對稱的房子抗震能力強(qiáng)。上大下小頭重腳輕的房屋體形叫豎向不規(guī)則,平面局部凸出的L形、“丁”字形體形叫平面不規(guī)則,一頭沉一頭輕的叫扭轉(zhuǎn)不規(guī)則,不規(guī)則建筑抗震能力都較差。

3.增強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的整體性及剛度。在地震中多層砌體結(jié)構(gòu)的縱、橫向地震作用主要由相應(yīng)墻體承擔(dān)。因此,縱、橫墻的合理布置且控制橫墻的間距,可控制縱、橫墻的側(cè)向變形,增強(qiáng)了空間剛度和整體性,對承受縱、橫兩個方向的水平地震作用及抗彎、抗剪都非常有利。墻體布置時,應(yīng)盡量采用縱墻貫通的平面布置,而當(dāng)縱墻不能貫通布置時,則應(yīng)在墻體交接處采取加強(qiáng)措施。而橫墻最大間距就是為了滿足樓蓋對傳遞水平地震所需的剛度要求。其中,在8度設(shè)防時,現(xiàn)澆或裝配整體鋼筋混凝土樓蓋板的多層砌體建筑的橫墻最大間距為15米。如橫墻間距過大時,縱墻會因過大的層間變形而產(chǎn)生平面的彎曲破壞。有效增強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的整體性及剛度的措施有縱、橫墻的合理布置,建筑的樓蓋為現(xiàn)澆,增加墻體面積及提高砂漿的強(qiáng)度,設(shè)置圈梁及構(gòu)造柱等。

在多層砌體建筑中設(shè)置水平圈梁,可加強(qiáng)內(nèi)外墻的連接,增強(qiáng)建筑的整體性。特別是屋蓋和基礎(chǔ)頂兩處的圈梁的設(shè)置具有提高建筑的豎向剛度和抗御不均勻的沉降能力。由于圈梁的約束作用使樓蓋與縱、橫墻構(gòu)成箱形結(jié)構(gòu),能有效地約束裝配板材的散落,使磚墻發(fā)生平面倒塌可能性大為降低,以充分發(fā)揮各片墻體的抗震能力。還有,為了提高墻體的抗震能力,可在抗震力不夠的承重墻段內(nèi)配置水平鋼筋,使地震力由砌體及水平鋼筋共同承擔(dān)。一些試驗表明,配筋多孔磚墻體可以有效地提高墻段的抗震性能,減少脆性,增加延性,增強(qiáng)磚混房屋的抗震性能。

4.房子的建筑材料和施工質(zhì)量。對建筑物的防震抗震,我國在相應(yīng)的法律法規(guī)中都有著明確的規(guī)定。但是,在具體執(zhí)行上,建筑物的防震抗震很難全部落實到位。不少建筑設(shè)計、施工部門缺乏防震意識,一些建筑物等工程建設(shè)項目不按防震抗災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計建設(shè),甚至存在著降低抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象,施工中也缺乏質(zhì)量監(jiān)督。這是很多建筑物在地震面前不堪一擊的最主要原因。因此,混凝土標(biāo)號夠不夠,鋼筋是否合格,有沒有偷工減料等,是否照圖施工、技術(shù)是否到位等,規(guī)劃、設(shè)計、施工、監(jiān)理四大環(huán)節(jié)都很重要,都要嚴(yán)格把關(guān),這一切符合要求了,房屋質(zhì)量就會好。

多層砌體結(jié)構(gòu)房屋可以通過建筑上的合理布局,結(jié)構(gòu)上的構(gòu)造措施等多種方法來彌補(bǔ)砌體房屋脆性材料在抗震方面的不足,從而滿足抗震要求,達(dá)到“小震不壞,中震可修,大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。

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(編輯/劉佳)