框架結(jié)構(gòu)中的空心磚填充墻震害反思與建議

李碧雄*，彭 娟

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065)

框架結(jié)構(gòu)中的空心磚填充墻震害反思與建議

李碧雄*，彭 娟

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065)

在汶川地震和蘆山地震中，大量的空心磚填充墻被嚴(yán)重破壞，甚至在地震烈度較低的地區(qū)也發(fā)生大量破壞。通過(guò)震害調(diào)研，認(rèn)為空心磚強(qiáng)度低、豎向灰縫不飽滿(mǎn)、水電管道和墻體開(kāi)洞對(duì)墻體的削弱以及對(duì)空心磚力學(xué)性能認(rèn)識(shí)不足是導(dǎo)致空心磚填充墻易發(fā)生震害的原因;在震害特征和已有研究工作的基礎(chǔ)上，分析了空心磚填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響;針對(duì)空心磚砌體理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際應(yīng)用的情況，提出開(kāi)展空心磚砌體力學(xué)性能研究工作的建議。

空心磚填充墻;應(yīng)用現(xiàn)狀;抗震性能;力學(xué)性能;措施

砌體填充墻-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國(guó)目前應(yīng)用較為廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式之一。隨著我國(guó)墻體材料的革新和實(shí)心粘土磚的全面禁用，各類(lèi)新型節(jié)能墻體材料應(yīng)運(yùn)而生，空心磚以其輕質(zhì)及良好的保溫隔熱性能，被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

在汶川地震和蘆山地震中，大量的空心磚填充墻發(fā)生破壞，甚至在地震烈度相當(dāng)于或低于設(shè)防烈度的地區(qū)也發(fā)生大量破壞，這是空心磚填充墻與實(shí)心磚填充墻的一大不同。目前的震害調(diào)查［1-3］及抗震性能研究［4-5］大多將目光集中于框架結(jié)構(gòu)主體，專(zhuān)門(mén)針對(duì)填充墻尤其是空心磚填充墻的研究較少。本文通過(guò)汶川地震和蘆山地震的震害調(diào)查，初步分析了空心磚填充墻易發(fā)生震害的原因;結(jié)合震害特征和現(xiàn)有研究，分析了空心磚填充墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響;針對(duì)目前缺乏空心磚砌體的理論研究的情況，建議開(kāi)展空心磚砌體力學(xué)性能的相關(guān)研究工作;總結(jié)了國(guó)內(nèi)外關(guān)于提高砌體填充墻抗震性能的措施。

1 空心磚填充墻的應(yīng)用現(xiàn)狀

砌體填充墻-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，因其建筑平面布置靈活、室內(nèi)空間大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于廠(chǎng)房、商場(chǎng)、教學(xué)樓、醫(yī)院等多高層建筑中。其中框架梁柱通過(guò)鉸接或剛接形成空間網(wǎng)架，是豎向荷載和水平力的承載體系，填充墻只起圍護(hù)、分隔作用。

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范［6］將填充墻作為“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”，不參與抗震設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段只考慮填充墻的自重，并將其作為豎向荷載作用到框架梁上，同時(shí)根據(jù)填充墻的數(shù)量，采用周期折減的方式考慮其剛度貢獻(xiàn)。但是大量震害顯示，地震中填充墻與框架主體相互作用，共同承擔(dān)地震力。地震中填充墻的各種破壞形態(tài)及其對(duì)框架主體抗震性能的不利影響，說(shuō)明了上述設(shè)計(jì)方法的局限性。汶川地震發(fā)生后，抗震規(guī)范針對(duì)框架結(jié)構(gòu)填充墻的條款進(jìn)行了調(diào)整，“框架結(jié)構(gòu)的維護(hù)墻和隔墻應(yīng)估計(jì)其設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞”。這個(gè)調(diào)整充分顯示了在設(shè)計(jì)中考慮填充墻的重要性和必要性，但如何“估計(jì)”卻并未明確說(shuō)明。

Paulay和 Priestley［7］提出了2 條建議:1)設(shè)計(jì)時(shí)考慮填充墻與框架的相互作用;2)通過(guò)構(gòu)造措施，保證填充墻與框架主體之間無(wú)相互作用。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者就“如何考慮填充墻與框架主體的相互作用”這一問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，目前最有說(shuō)服力的是“斜撐模型”［8］，即將填充墻簡(jiǎn)化為對(duì)角斜撐。但是，由于填充墻的多樣性，工程人員準(zhǔn)確模擬填充墻與框架主體的相互作用仍然很困難。另一方面，通過(guò)構(gòu)造措施，可以消除填充墻和框架的相互作用，但是與框架完全脫開(kāi)的填充墻在平面外地震力作用下容易發(fā)生平面破壞。

考慮填充墻的存在，建立符合實(shí)際受力的填充墻框架模型，分析、計(jì)算其受力，為定量計(jì)算填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響奠定理論基礎(chǔ)，使相關(guān)的規(guī)范條款具體化，提高其可操作性，這將是今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)填充墻研究工作的重點(diǎn)。在填充墻定量計(jì)算方法還不成熟之前，應(yīng)盡量從概念設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，重視填充墻的合理布置。

2 空心磚填充墻易發(fā)生震害的原因及對(duì)策

2.1 抗壓強(qiáng)度低

由于填充墻參與抵抗地震作用，要求填充墻除了滿(mǎn)足維護(hù)、隔斷作用以外，還應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和變形能力?？招拇u具有較大的孔洞率，抗壓強(qiáng)度低，文獻(xiàn)［9］對(duì)2種燒結(jié)空心磚的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得其大面抗壓強(qiáng)度均不足MU2.5。另外，空心磚在運(yùn)輸過(guò)程中也極易發(fā)生破損，進(jìn)一步增大了其強(qiáng)度的離散性。在地震作用下，填充墻受框架結(jié)構(gòu)的斜壓作用，破壞開(kāi)始于某塊強(qiáng)度較低的空心磚被壓壞，圖1所示為蘆山地震后蘆山醫(yī)院某處填充墻的震害情況，破壞開(kāi)始于局部的某塊磚被壓碎，周?chē)招拇u也能觀(guān)察到清晰的裂縫，裂縫有逐漸貫通的趨勢(shì)?？梢?jiàn)空心磚塊體自身的強(qiáng)度對(duì)填充墻的表現(xiàn)起決定性的作用。因此，建議在孔洞結(jié)構(gòu)和成型方法等方面開(kāi)展研究，提高空心磚的強(qiáng)度。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)進(jìn)場(chǎng)空心磚強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》規(guī)定“砌墻磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣數(shù)量為10塊”。一個(gè)建筑項(xiàng)目填充墻用磚量極大，10塊的樣本數(shù)量不足以代表總體的強(qiáng)度平均值，建議增大抽樣數(shù)量，按總體的百分比抽樣。

圖1 局部空心磚被壓碎 圖2 水電管道和墻體開(kāi)洞處填充墻破壞形態(tài) 圖3 窗間墻“短墻”破壞

2.2 豎向灰縫不飽滿(mǎn)

保證砌體強(qiáng)度的一大要求是“灰縫飽滿(mǎn)”?？招拇u具有較大的孔洞率，其豎向灰縫鋪漿面極小，施工時(shí)肋上砂漿無(wú)法鋪滿(mǎn)，且砂漿在重力作用下向下滑落，造成豎向灰縫不飽滿(mǎn)。在地震作用下，裂縫極有可能從不飽滿(mǎn)的豎向灰縫處開(kāi)始，形成沿齒縫的破壞形態(tài)。建議在空心磚形狀結(jié)構(gòu)、成型方法等方面開(kāi)展研究，增大豎向灰縫的鋪漿面，改善空心磚砌體豎向灰縫不飽滿(mǎn)這一狀況。

2.3 水電管道和墻體開(kāi)洞對(duì)砌體的削弱

填充墻因?yàn)殇佋O(shè)水電管道，需要在墻體上進(jìn)行鉆孔、打眼，塊體或墻體受到削弱，在地震荷載作用下，管線(xiàn)通過(guò)處應(yīng)力集中，極易率先出現(xiàn)裂縫或局部壓碎。

門(mén)窗洞口的開(kāi)設(shè)破壞填充墻的整體性，進(jìn)一步削弱墻體，在洞口角部極易發(fā)生應(yīng)力集中，裂縫從洞口角點(diǎn)以45°向墻內(nèi)發(fā)展，在地震荷載反復(fù)作用下，窗間墻形成X形裂縫。

圖2所示為蘆山地震中寶盛鄉(xiāng)政府辦公樓一處填充墻的震害情形，因門(mén)洞的開(kāi)設(shè)和管線(xiàn)的布置，此處墻體的震害相當(dāng)嚴(yán)重，管線(xiàn)通過(guò)處空心磚被壓碎并剝落，2個(gè)門(mén)洞之間的填充墻形成明顯的X形裂縫。

此外，當(dāng)開(kāi)洞面積較大時(shí)，窗間墻易形成“短墻”，在地震作用下，發(fā)生剪切破壞，裂縫沿窗臺(tái)線(xiàn)發(fā)展，如圖3所示。

2.4 空心磚力使用不規(guī)范

針對(duì)空心磚力學(xué)性能的研究幾乎沒(méi)有，對(duì)空心磚力學(xué)性能認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致空心磚使用不規(guī)范，也是造成空心磚填充墻發(fā)生震害的原因?？招拇u不同受壓面測(cè)得的抗壓強(qiáng)度存在顯著差異，頂面強(qiáng)度最高、側(cè)面次之、大面最低［9］。如果產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)定頂面砌筑，而施工時(shí)改為大面砌筑，墻體的強(qiáng)度將大大降低。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前施工單位主要是根據(jù)墻體厚度來(lái)選擇空心磚的砌筑面，圖4(a)所示為頂面砌筑的空心磚填充墻，圖4(b)所示墻體則是大面砌筑。因此，建議規(guī)范統(tǒng)一空心磚的砌筑面;施工時(shí)若要改變砌筑面，必須評(píng)估改變后對(duì)強(qiáng)度的影響，并得到設(shè)計(jì)或監(jiān)理的認(rèn)可。

圖4 不同砌筑面的空心磚填充墻

此外，文獻(xiàn)［10］中提到空心磚混結(jié)構(gòu)是青海玉樹(shù)縣較為普遍的一種建筑形式，主要采用小型空心磚砌塊磚墻和預(yù)制樓板組成承重體系，在玉樹(shù)地震中震害非常嚴(yán)重?？招拇u作為一種脆性材料，其強(qiáng)度較低且離散性較大，不宜用于承重墻。

3 空心磚砌體抗震性能研究進(jìn)展

3.1 空心磚砌體的力學(xué)性能研究

評(píng)價(jià)填充墻抗震性能的主要指標(biāo)是強(qiáng)度和變形性能。空心磚填充墻雖然被廣泛應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)中，但是關(guān)于空心磚砌體力學(xué)性能的研究較少，其理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際應(yīng)用。建議全面開(kāi)展空心磚砌體力學(xué)性能研究工作，深入了解空心磚砌體的力學(xué)性能，開(kāi)展空心磚和砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度以及二者之間的粘結(jié)強(qiáng)度、砂漿強(qiáng)度對(duì)空心磚砌體強(qiáng)度和變形性能的影響、抹灰砂漿對(duì)空心磚砌體強(qiáng)度和變形性能的影響，為提高空心磚砌體抗震性能及實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

3.2 提高空心磚砌體抗震性能的措施

許多已建建筑的抗震性能仍然是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。發(fā)展快速、有效、經(jīng)濟(jì)、友好的填充墻加固補(bǔ)強(qiáng)方法，是降低已建建筑和擬建建筑地震震害的有效途徑。目前，各國(guó)學(xué)者正嘗試采用一些新方法、新技術(shù)來(lái)提升填充墻的延性。

將FRP(fiber reinforced polymer)應(yīng)用于填充墻的補(bǔ)強(qiáng)加固是近10年來(lái)才逐步發(fā)展起來(lái)的方法，受到了眾多學(xué)者的青睞［13］。FRP加固補(bǔ)強(qiáng)主要是采用FRP復(fù)合材料加固墻體，并采用FRP錨具對(duì)填充墻和框架主體進(jìn)行錨固，以提高填充墻的延性及抗剪強(qiáng)度。文獻(xiàn)［14-15］中對(duì)多層多跨框架填充墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種方法的有效性，且該方法施工速度快，干擾小。該方法已經(jīng)被寫(xiě)入土耳其抗震規(guī)范(Turkish Seismic Design Code 2006)。

但是造價(jià)限制了FRP加固補(bǔ)強(qiáng)方法的推廣應(yīng)用。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Kobayashi將FRP絞線(xiàn)用于框架填充墻［16］。研究發(fā)現(xiàn)，一定體積含量的FRP絞線(xiàn)可以增大墻體的變形能力，而且可以提高填充墻在平面內(nèi)及平面外的整體性。為了進(jìn)一步研究FRP絞線(xiàn)體積含量對(duì)填充墻的強(qiáng)度和變形能力的影響，Binici等［17］對(duì)不同用量的試件進(jìn)行了對(duì)角循環(huán)受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:FRP絞線(xiàn)可以限制裂縫的開(kāi)展，提升墻體的承載能力，且與未加固的試件不同，達(dá)到峰值荷載后墻體仍有一定的承載能力，不會(huì)突降至零。

Okuyucu等［18］對(duì)46個(gè)貼有鋼纖維板和預(yù)制高強(qiáng)鋼筋混凝土板/條及未進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的空心磚砌體墻進(jìn)行對(duì)角受壓試驗(yàn)，研究鋼纖維板和預(yù)制高強(qiáng)鋼筋混凝土板對(duì)墻體抗剪強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用鋼纖維和預(yù)制高強(qiáng)鋼筋混凝土板均對(duì)試件的極限荷載有較大提升，其中以單面20 mm厚鋼纖維板的強(qiáng)度和延性改善效果最好。值得注意的是，兩面普通抹灰的試件的極限荷載也較未加固試件有所提升，這與在地震災(zāi)區(qū)看到的情況相符，某些建建筑的抹灰填充墻震害不及裸墻面的墻體嚴(yán)重。此外，作者對(duì)砌筑砂漿強(qiáng)度也進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。第一批試件砂漿強(qiáng)度為M3.5，第二批試件砂漿強(qiáng)度為M10。作者對(duì)兩批未加固試件進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)第二批砂漿厚度僅為6 mm的試件的極限強(qiáng)度是第一批砂漿厚度為10 mm的試件的4.2倍，進(jìn)一步說(shuō)明砂漿強(qiáng)度對(duì)砌體的抗剪強(qiáng)度影響甚大。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展的空心磚填充墻抗震性能研究較少，陳萬(wàn)山等［19］對(duì)6片頁(yè)巖空心磚墻體進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，探討了墻體的破壞特征、承載能力、延性等問(wèn)題，結(jié)果表明，配置水平鋼筋不僅可以提高墻體的承載能力，而且可以大大提高墻體的變形能力。

上述利用FRP纖維材料、鋼纖維板、預(yù)制混凝土板/條、配置水平鋼筋等加固補(bǔ)強(qiáng)方法能有效提升砌體的抗剪強(qiáng)度及變形性能，建議將這些方法應(yīng)用在空心磚填充墻中，評(píng)價(jià)其對(duì)空心磚填充墻抗震性能的改良效果。但是這幾種方法造價(jià)較高，不適合在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用;且配置水平筋也只能用于新建建筑。今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，發(fā)展施工方便、經(jīng)濟(jì)有效的加固補(bǔ)強(qiáng)方法，提升空心磚填充墻抗震性能。

4 結(jié)語(yǔ)

1)現(xiàn)行規(guī)范中將填充墻作為“非結(jié)構(gòu)構(gòu)件”，“不參與地震作用”的設(shè)計(jì)方法存在一定的局限性。考慮填充墻的存在，建立符合實(shí)際受力的填充墻框架模型，是今后填充墻研究的重點(diǎn);2)空心磚強(qiáng)度低、砌體豎向灰縫不飽滿(mǎn)、水電管道和墻體開(kāi)洞對(duì)墻體的削弱以及對(duì)空心磚力學(xué)性能認(rèn)識(shí)不足等都是導(dǎo)致空心磚填充墻在較低地震烈度下發(fā)生破壞的原因;3)填充墻的存在對(duì)框架的承載力和剛度都有很大貢獻(xiàn)，填充墻的不合理布置造成的扭轉(zhuǎn)和薄弱層破壞、開(kāi)洞引起的短柱破壞以及“強(qiáng)梁弱柱”破壞都會(huì)增大框架結(jié)構(gòu)的震害，甚至導(dǎo)致垮塌，應(yīng)注意填充墻的合理布置;4)空心磚填充墻的理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際應(yīng)用，建議開(kāi)展空心磚砌體力學(xué)性能研究工作，深入了解空心磚砌體的力學(xué)性能，為提高空心磚砌體抗震性能及實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。5)目前，國(guó)內(nèi)外研究的提高砌體抗震性能的措施，能有效提高砌體的抗剪強(qiáng)度和變形性能，但是造價(jià)太高，不適合推廣應(yīng)用。今后應(yīng)加強(qiáng)此類(lèi)措施的研究，發(fā)展施工方便、經(jīng)濟(jì)有效的加固補(bǔ)強(qiáng)方法。

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Lessons and Suggestions for Hollow-brick Infill in Frame Structure from the Damage Caused by Recent Earthquakes

LI Bixiong*，PENG Juan
(School of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Serious damages were observed in hollow brick infill walls in both Wenchuan Earthquake and Lushan Earthquake，even in the regions where the seismic intensity was lower than the seismic fortification intensity.And the reasons were presented based on the typical damages in hollow brick infill walls，including that the strength of hollow brick was low，the perpends was not full，the door and window holes and pipeline weakened the wall，and the lack of knowledge in hollow brick mechanical properties.The influence of hollow brick infill on the strength and stiffness of the frames were stated in the paper.The research of hollow brick masonry was far behind the application，thus the study on hollow brick mechanical properties should be carried out.The measures to improve seismic performance of masonry infills were summarized.

hollow brick infill;application;seismic performance;mechanical property;measure

TU364

A

2095-5383(2014)02-0073-04

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2014.02.024

2014-03-22

能源工程安全與災(zāi)害力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2013KF05);四川大學(xué)地震災(zāi)后重建應(yīng)急研究項(xiàng)目(2013SCU190)

李碧雄(1970-)，女(漢族)，湖南安化人，教授，博士，研究方向:結(jié)構(gòu)工程抗震，通信作者郵箱:347292361@qq.com。

彭娟(1988-)，女(漢族)，四川成都人，在讀碩士研究生，研究方向:結(jié)構(gòu)工程抗震。