多層磚混結(jié)構(gòu)房屋的抗震設(shè)計＊

馮 惠

（茂名職業(yè)技術(shù)學院，廣東 茂名 525000）

1 磚混房屋震害分析

1.1 房屋倒塌

根據(jù)地震后房屋倒塌形式的不同，可把房屋倒塌分為整體粉碎性垮塌、整體有形狀垮塌、整層垮塌和薄弱單元垮塌等（見圖1）。其中，整體粉碎性垮塌最為嚴重，指倒塌之后建筑物形狀被毀，沒有生存空間，房屋變成廢墟。這類建筑物的特點是建造年代久遠，沒有構(gòu)造柱或較少圈梁，筑體強度低;整體有形狀垮塌指房屋倒塌之后還有部分保持了建筑形狀，有一定的生存空間。這類建筑物的特點是有構(gòu)造柱和圈梁，但地震作用高于設(shè)計預(yù)期值；整層垮塌是指房屋的垮塌層被毀，沒有生存空間，但建筑物其他部分的結(jié)構(gòu)仍存在。這類建筑物的特點是有構(gòu)造柱和圈梁，但結(jié)構(gòu)設(shè)計時缺乏對豎向地震的考慮，其中薄弱單元垮塌通常發(fā)生在單元端部、樓梯間等部位。

圖1 房屋倒塌

1.2 墻體破壞

墻體破壞可分為：縱橫墻拉結(jié)不當使縱橫墻外閃、墻體剪切斜裂縫、墻體水平裂縫、豎向裂縫和轉(zhuǎn)角墻的V字形裂縫。

其中，縱橫墻的可靠拉結(jié)是房屋結(jié)構(gòu)空間工作能力的基礎(chǔ)，是房屋側(cè)向剛度與防止承重墻體出平面破壞的保障。如果橫墻承重房屋墻體質(zhì)量不達標，內(nèi)外墻拉結(jié)不滿足要求條件時易在地震時產(chǎn)生外縱墻外傾或閃落問題。

墻體剪切斜裂縫是由于地震時墻體在承受樓板和屋蓋引起的慣性力時所造成的破壞，產(chǎn)生斜向裂縫。受地震反復(fù)作用影響，大多數(shù)墻體斜裂縫呈X形狀。造成斜裂縫或X形裂縫的主要原因是主拉應(yīng)力超過砌體強度導致剪切破壞。這也是最常見的震害現(xiàn)象。

1.3 樓梯間破壞

1.3.1 樓梯間墻體破壞

樓梯間墻體破壞分為梯間外縱墻和內(nèi)橫墻無拉結(jié)措施（拉結(jié)約束縱向墻體）、梯間層高處無連續(xù)封閉拉結(jié)圈梁（圈梁和樓蓋減小墻體面外自由長度、提高穩(wěn)定性和抗剪能力）、樓梯板嵌入墻內(nèi)3種。

1.3.2 樓梯板等破壞

樓梯板破壞主要是梯板斷裂，樓梯梁破壞主要是樓梯梁的兩端或跨中被破壞。造成上述震害的主要原因包括：①樓梯設(shè)計只對靜力進行計算，把樓梯當作荷載加到主體上，而在主體結(jié)構(gòu)抗震計算時又未考慮與樓梯間的相互作用；②為降低成本、節(jié)約用鋼，樓梯板端鋼筋用量不足。當?shù)卣鸢l(fā)生時，若梯板應(yīng)力高于混凝土抗拉強度，混凝土不再承重，原本由混凝土承擔的拉力轉(zhuǎn)移到鋼筋上，導致板內(nèi)鋼筋應(yīng)力變大，鋼筋被拉長，裂縫寬度增大；③樓梯施工縫處理不合理，如施工縫夾渣、施工縫補不符合驗收標準等。

2 豎向地震的作用

2.1 磚混房屋豎向地震力計算

沖量法是通過模擬豎向地震作用時的結(jié)構(gòu)下部對上部質(zhì)量的沖量對豎向地震力進行計算的方法，其算式如下：

式中，U為沖擊速度，與卓越周期T相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，磚混結(jié)構(gòu)墻體的基本周期通常為0.2s左右。mi為水平質(zhì)量，由豎向構(gòu)建質(zhì)量和水平構(gòu)建質(zhì)量組成。水平構(gòu)建質(zhì)量的計算需根據(jù)折減系數(shù)確定。折減系數(shù)算式如下：

式中，△1為振幅，△2為質(zhì)量位移。

豎向地震壓力最大值算式如下：

式中，G為結(jié)構(gòu)總重。

2.2 砌體結(jié)構(gòu)房屋安全儲備

2.2.1 荷載效應(yīng)

活荷載的種類有很多，統(tǒng)計結(jié)果顯示，辦公樓的活荷載標準值與平均值比值為1.91，商店為1.23。恒載指使用期間結(jié)構(gòu)的標準值和平均值變化不大，基本可以忽略。恒載概率分布滿足正態(tài)分布，標準值與平均值的比值為1.0。荷載設(shè)計值計算如下。

通常，我們在研究恒荷載時設(shè)定：當可變荷載起控制作用時，分項系數(shù)γG=1.2；當永久荷載起控制作用時，分項系數(shù)γG=1.35；當為活荷載時，γQ=1.4。

2.2.2 材料強度

根據(jù)概率理論，結(jié)構(gòu)抗力概率分布滿足正態(tài)分布，則要保證概率達95%時，材料強度的算式如下：

普通磚抗壓強度試驗數(shù)據(jù)顯示，其平均值和標準值比值為1.39左右。普通磚強度平均值和設(shè)計值比值為2.225。

2.2.3 宏觀安全儲備

文獻研究結(jié)果顯示：磚混結(jié)構(gòu)中，辦公樓的安全儲備值為3.56；商店的安全儲備值為3.00；住宅的安全儲備值為3.27。

2.3 磚混結(jié)構(gòu)墻體軸壓比限值

2.3.1 磚混結(jié)構(gòu)軸壓比算式

磚混結(jié)構(gòu)軸壓比的算式如下：

2.3.2 軸壓比限值

砌體的受壓破壞一般需經(jīng)歷單塊磚裂縫、裂縫擴散和砌體完全破壞3個階段。在單塊磚裂縫階段，加載為破壞荷載的50%～70%，此時單塊磚出現(xiàn)裂縫，不過此時去掉荷載，裂縫不擴散；在裂縫擴散階段，加載為破壞荷載的80%～90%，單塊磚裂縫連接起來，貫通性豎向裂縫開始形成，此時即使去掉載荷裂縫也將繼續(xù)擴散；當荷載繼續(xù)增加，砌體將裂成不相連的立柱，破壞砌體穩(wěn)定性，甚至造成壓碎。

3 磚混房屋加固建議

3.1 加固方法

當前國內(nèi)大多數(shù)多層磚混結(jié)構(gòu)房屋在設(shè)計時都未考慮豎向的地震作用，砌體結(jié)構(gòu)的安全儲備嚴重不足，在發(fā)生豎向地震時易造成房屋損壞或坍塌。因此，需通過加固措施提高房屋的豎向抗震能力。

常用房屋加固法為鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固法和現(xiàn)澆鋼筋混凝土板墻加固法。其中，鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固方法如圖2所示。

圖2 磚混房屋墻體鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固

磚混房屋墻體鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固過程中要先對原有墻面進行清理，然后再鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。如果原有墻面腐蝕嚴重，還要先對腐蝕面進行處理，清除松動部分并用水泥砂漿抹面。在磚混房屋墻體鋼筋網(wǎng)水泥砂漿處理后，還要對面層進行澆水養(yǎng)護和防曬、防凍處理。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土板墻加固時要求混凝土強度要大于或等于C20，鋼筋最好采用I級或II級，板墻可配置單排鋼筋網(wǎng)，板墻要和原有墻體兩端可靠連接。

3.2 加固后震害破壞順序

加固結(jié)構(gòu)屬于二次受力結(jié)構(gòu)，但新加固部分不能立刻對荷載進行分擔。地震時，二次荷載在加載狀態(tài)下才會受力。所以，新加部分的應(yīng)力、應(yīng)變滯后于原結(jié)構(gòu)的累計應(yīng)力、應(yīng)變值。因此，可能會存在原結(jié)構(gòu)承載已達極限，但新加部分的應(yīng)變力仍較低的情況。所以，在新加固部分砌體強度利用系數(shù)設(shè)計時應(yīng)注意系數(shù)選擇的合理性。

4 結(jié)語

當前國內(nèi)很多地區(qū)的房屋構(gòu)造都采用多層磚混結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、適用范圍廣、造價成本低，但房屋傳力途徑單一，抗震水平較低，在地震作用下易造成房屋結(jié)構(gòu)損壞。2008年汶川大地震造成當?shù)卮u混結(jié)構(gòu)房屋的大量破壞，也帶來沉痛教訓。因此，加強多層磚混結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計十分必要。