多層砌體住宅建筑抗震實例分析

李 佳

建筑物的設計和建造手段經(jīng)歷了一個從剛性設計、柔性設計、延性設計到采用結構控制手段的演變過程[1]。砌體結構多采用磚和砂漿砌筑，通過內(nèi)外磚墻的咬砌達到整體連接性，這種組成材料和連接方式?jīng)Q定了其脆性性質，變形能力小，雖然采取加強措施，但抗震性能和砌體的抗拉能力、抗剪能力都較低，結構較易發(fā)生脆性的剪切破壞，甚至導致整個房屋的破壞和倒塌。但是多層砌體結構房屋在建筑設計領域，特別是中小城鎮(zhèn)還有著廣泛的應用，因此在抗震設防地區(qū)改善多層磚混砌體房屋結構延性，提高抗震性能具有極其重要的意義。

筆者通過工程實例，運用計算機的計算軟件理論計算出結構的薄弱環(huán)節(jié)，從而進行合理設計，通過在相應位置設置構造柱，墻體內(nèi)設置鋼筋，加大承重墻體厚度等方式加強房屋的抗震性能，使多層砌體結構成為了滿足工程相應抗震設計目標的結構體系。

1 工程概述

實例工程為山西省某縣的一棟住宅樓。住宅樓總共六層，其中一層為儲物間和車庫，二層以上為住宅，共六個單元。建筑總高度18.75 m，首層層高2.6 m，二層及以上層高3.0 m，總建筑面積5 560 m2。

其建筑主體結構采用砌體結構，基礎為筏板基礎。工程所在地的抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.20 g。此建筑抗震設防類別屬于丙類。建筑場地類別為Ⅲ類。

2 結構的抗震分析

該工程運用PKPM V3.1的砌體結構設計軟件進行結構分析及計算，計算結果顯示一層及二、三層多數(shù)縱向墻體抗震驗算結果不滿足要求，分析造成此結果的原因如下：

1）工程所在區(qū)域抗震烈度8度，0.20 g，6層，總高18.75 m，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》表7.1.2房屋的層數(shù)限值為6層，建筑總高度限值18 m，因此該多層磚砌體房屋總高度18.75 m，六層砌體已達到規(guī)范所規(guī)定的上限值。

2）建筑場地類別為Ⅲ類，且場地土有輕微液化，都是對抗震很不利的因素。

3）由于建筑需要縱墻較少，底層外縱墻少且開洞較大，底層和標準層內(nèi)縱墻不是上下對齊，二層以上較多縱墻在第一層并沒有落地，以建筑1個單元為例，如圖1、2所示，比如標準層的D軸①②段及⑥⑦段墻體在第一層并沒有墻體。

圖1 首層墻體布局Fig.1 Wall layout of the first layer

圖2 標準層墻體布局Fig.2 Wall layout of the standard layer

2.1 抗震加強措施

2.1.1 對基礎采取的措施

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》表4.3.6，丙類建筑，地基的液化等級為輕微者，基礎和上部結構處理，亦可不采取措施。即盡量避免采用加固處理液化土層的方法,而是對基礎和上部結構在構造措施方面進行有效處理。采取的措施比如通過采用箱基、筏板基礎或者加設基礎圈梁等。為此該住宅樓采用筏板基礎[3]，并在-0.050 m標高處加設300 mm高基礎圈梁。在管道洞口處，洞口尺寸有預留，采用柔性接頭。

2.1.2 上部結構采取的措施

該工程一共6個單元，在3個單元處設置了伸縮縫兼做防震縫，縫寬100 mm，且縫兩側均設置墻體。

在底層的窗臺下墻體灰縫內(nèi)設置3道焊接鋼筋網(wǎng)片，并伸入兩邊窗間墻內(nèi)不小于600 mm。頂層墻體有門窗洞時，在過梁上的水平灰縫內(nèi)設置3道焊接鋼筋網(wǎng)片，并伸入洞口兩端墻內(nèi)不小于600 mm。

樓梯間屬于砌體結構抗震的薄弱部位，所以將樓梯間墻體通過配置鋼筋得以加強，比如頂層沿墻高每隔500 mm處設置通長鋼筋；其他的各層樓梯間的休息平臺處設置鋼筋混凝土帶。

由于一層外縱墻洞口為庫房的大門，根據(jù)建筑需要開洞較大，為2 500 mm×2 100 mm，而二層以上的相應位置為臥室窗洞口，僅為1 700 mm×1 700 mm,導致下層開洞大于上層，因此庫房門洞上部梁受力很大，不能簡單的按照過梁和圈梁的合并來計算，而是單獨對此道梁進行了受力分析，配筋見圖3。

圖3 車庫門洞上梁配筋圖Fig.3 Reinforcement diagram of beam on the garage door

2.1.3 構造柱的設置

圖4 配筋墻體位置Fig.4 Reinforced wall location

鋼筋混凝土構造柱的作用主要在于對墻體的約束，構造柱截面不必過大，但是需要和各層縱橫墻的圈梁和現(xiàn)澆樓板連接，才能充分發(fā)揮約束作用。按照GB 50011—2010表7.3.1條規(guī)定設置構造柱。規(guī)范第7.3.2條第5款規(guī)定，在高度和層數(shù)接近表7.1.2限值時，還需要增設構造柱，構造柱具體布置位置見圖2，在個別縱墻抗震驗算結果不合格處，如軸與③軸交接處,軸與⑤軸交接處增設構造柱，加強縱墻墻體抗震能力。構造柱的配筋方面，根據(jù)GB 50011—2010第7.3.2條構造柱采用4采16的縱筋，箍筋采用φ8@200。四角及轉角處的構造柱截面適當加大，采用370 mm×370 mm。

2.1.4 圈梁的設置

抗震構造是砌體房屋設計的重點，而抗震構造的重點又是圈梁和構造柱的設置，圈梁和構造柱共同設置能增強房屋的整體性和抗變形能力，提高房屋的抗震性能，避免墻體開裂后突然倒塌，是抗震的有效措施[2]。該工程在屋蓋及每層樓蓋處、各層所有橫墻處均設置180 mm高圈梁，圈梁配筋4φ12，箍筋φ6@200。

圈梁在門窗洞口無法連續(xù)時的做法見圖5。當圈梁和過梁重疊時的做法詳見圖6。

圖5 圈梁在洞口不連續(xù)處做法Fig.5 The ring beam in the hole discontinuity approach

圖6 圈梁兼做過梁做法Fig.6 Ring beam and lintel approach

2.1.5 墻體配置鋼筋

砌體的抗拉強度很低，為了提高整個墻體的抗拉能力，可以采用在灰縫中配置一定數(shù)量的橫向鋼筋，根據(jù)GB 50003—2011《砌體結構設計規(guī)范》第10.2.2條式10.2.2-2：

式中： V——考慮地震作用組合的墻體剪力設計值，kN；

γRE——承載力抗震調整系數(shù)；

fvE——砌體沿階梯形截面破壞的抗震抗剪強度設計值，N/mm2；

A——墻體橫截面面積，mm2；

ζs——鋼筋參與工作系數(shù)；

fyh——墻體水平縱向鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2；

Ash——層間墻體豎向截面的總水平縱向鋼筋面積，mm2。

在墻體斷裂退出工作時，墻體內(nèi)的鋼筋會起到抗剪的作用。規(guī)范規(guī)定砌體墻體的配筋率在0.07%～0.17%為宜。該工程根據(jù)PKPM計算，軟件在墻體抗震驗算不合格的墻段標示所需配置鋼筋面積，根據(jù)鋼筋面積在墻段砌體灰縫處配置鋼筋，如圖4中陰影部分墻體中配置2φ6@200的鋼筋，可改善砌體結構的受力性能，提高砌體的延性。

另外，在墻體轉角處和縱橫墻交接處按照規(guī)范設置拉結鋼筋。根據(jù)GB 50003—2011第6.2.2條“應沿豎向每個400 ～500 mm設拉結鋼筋，其數(shù)量為每120 mm墻厚不少于1根直徑6 mm的鋼筋”；“埋入長度從墻的轉角或交接處算起，對實心磚墻每邊不少于500 mm”[4]。

2.1.6 加厚縱墻

采取以上措施后，個別墻體在抗震驗算時仍然不合格，由于首層軸縱墻不影響建筑需求，所以優(yōu)先采取加厚此道縱墻，改墻厚為490 mm，其他縱墻也采用370 mm厚磚砌筑。二層所有縱墻均采用370 mm厚。

3 結論

砌體結構房屋抗震性能較差，當縱、橫墻不能滿足抗震強度驗算要求時，應根據(jù)抗剪強度大小，選擇各種提高抗剪強度承載力的方法[2]。筆者簡要介紹某多層砌體結構的實際工程，通過采取各種提高多層砌體結構抗震性能的措施使房屋達到了滿足抗震設防要求的各項指標，分析計算的過程使幾種措施的應用更加明確和直觀。

總結提高砌體房屋抗震性能的六種方法如下：

1）改善地基的抗震能力，改善整個結構的整體性。

2）將薄弱部位予以加強。如在樓梯間、底層和頂層窗臺板處設置混凝土帶。

3）墻體段內(nèi)增設構造柱，除按照規(guī)范設置外，通過計算在相應位置可增設。

4）每層內(nèi)外橫縱墻處均設置圈梁。

5）在砌體結構的灰縫中配置適當數(shù)量的鋼筋

6）在不影響建筑需求的情況下增厚墻體。

[1]楊書靈.消能減震技術在實際工程中的應用[J].林產(chǎn)工業(yè),2016,43(8):59-60.

[2]朱炳寅.建筑抗震設計規(guī)范應用與分析 GB 50011—2010[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:345.

[3]李佳.國有林場危舊房改造項目住宅樓地基處理方法[J].林產(chǎn)工業(yè),2015,42(2):53-55.

[4]GB 50003—2011 砌體結構設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.