圈梁對砌體結構抗震性能影響研究

郭 麗 李 琪 王小玲 梁文文 熊言斌

（江西科技學院，江西 南昌 330000)

0 引言

地震造成的災害是自然界最具破壞性的災害之一。地震在地下巖層應力的作用下，由于產(chǎn)生錯動和破裂從而引起地面震動。地震還會引發(fā)嚴重的自然災難，比如滑坡、海嘯、洪水、泥石流等，對人類造成了嚴重災難。每天地球都在發(fā)生著無數(shù)地震，大多由于震級太小，我們沒有感知到，我們把這種地震叫無感地震。我們能感知到的地震約五萬次，產(chǎn)生破壞的約一千次，但僅數(shù)十次7 級及以上的震級對我們造成較大破壞，其中大多發(fā)生在海上和人口較少地區(qū)。以地質情況看，我國是世界上地震頻發(fā)的國家之一。破壞性的地震多半發(fā)生在廣大的農(nóng)村和城鎮(zhèn)地區(qū)，尤其是西部欠發(fā)達的地區(qū)。由于經(jīng)濟等多種原因，村鎮(zhèn)的房屋及建筑物的抗震性能一直不能得到很好的保證[2]。所以，研究村鎮(zhèn)建筑的抗震技術是非常重要和必要的。自1976 年唐山大地震之后，工程師們吸取地震對砌體建筑物危害的教訓，改善砌體結構抗震性能設計理念，在施工方面也采取抗震措施。如果增加設置構造柱或圈梁，并在《砌體結構設計規(guī)范》中明確要求，可提升砌體結構抗震性能及其抗震效果。

1 砌體結構震害類型

5.12 汶川地震震級大、烈度高、余震頻繁、波及范圍大、受災區(qū)域廣，給國家和人民帶來了巨大的災難和損失。震后各相關組織機構分別進行了深入的調查，分析了房屋震害情況，總結經(jīng)驗吸取教訓。在地震中結構同時承受重力、水平方向和豎直方向的作用力，受力情況比較復雜，根據(jù)結構形式、圈梁和構造柱設置情況的不同，結構的破壞情況也不盡相同。根據(jù)大量的研究統(tǒng)計說明，未經(jīng)采取抗震設防的砌體結構房屋震害尤其嚴重。對砌體結構的震害分析，總結震害的規(guī)律和教訓，改進和優(yōu)化砌體結構抗震設防及加固方法，大大提高了砌體結構的抗震性能[3]。根據(jù)結構的倒塌位置和規(guī)模，可以總結為：

1.1 整體坍塌

砌體結構的抗震性能和延性較差，特別是對于一定年限的老建筑。因為沒有進行構造措施（圈梁、構造柱）設計，其穩(wěn)定性和承載能力均比較低，裂縫形成迅速，易產(chǎn)生坍塌。甚至很多砌體結構，整體坍塌后，受損嚴重，地震來臨之后變成廢墟[4]。在震中設防烈度高的地區(qū)易發(fā)生整體坍塌，地震實際產(chǎn)生的烈度超過當?shù)乜拐鹪O防標準，并且這些結構本身存在比較大的缺陷，如結構設計、構造措施及施工質量。

1.2 局部倒塌

砌體結構容易發(fā)生局部倒塌，其類型有：一端出現(xiàn)坍塌，另一端未出現(xiàn)坍塌；中部坍塌，兩端未坍塌；兩端坍塌，中部未坍塌；外墻坍塌，內壁未坍塌等等。它主要發(fā)生在房子的墻角；垂直墻與水平墻相連處；建筑物平面凹凸位置改變的地方，地震來臨時由于應力集中導致結構出現(xiàn)局部倒塌；很多非現(xiàn)澆樓板，由于樓板之間連接不牢固，使得結構整體性差，地震時墻角扭轉變形，從而造成樓板倒塌[5]；砌體結構樓梯、變形縫、或者其他附屬設施，在對建筑物進行布局時，為了空間大，橫向支撐少，墻體垂直方向與水平方向連接差，非現(xiàn)澆板與墻體連接差，從而造成墻體連續(xù)倒塌破壞。

1.3 層間塌落

層間倒塌是一種“不完全整體破壞”，表現(xiàn)為砌體結構底層或部分樓層的整體倒塌。因為地震力作用時，房屋底部剪力較大，使得底部墻體產(chǎn)生脆性破壞。

（1）結果表明，由于剪力過大產(chǎn)生瞬時剪切脆性破壞，使得建筑物橫墻底部無法支撐上部結構，造成底部抗剪能力全部喪失。

（2）地震力的作用，造成建筑物橫墻底部受損，結構底部產(chǎn)生坍塌，同時上部結構也產(chǎn)生了向下傾斜。

1.4 開間垮塌

“開間垮塌”的形式是結構的豎向貫入破壞，通常發(fā)生在豎向墻體被開口嚴重削弱，從頂部到底部連續(xù)塌陷。然而，對于其破壞方式?jīng)]有共識，其原因直接與結構的布置有關[6]。砌體結構承重墻產(chǎn)生這類破壞的形式不多，且由于這類結構往往與橫墻的連接性較差，地震來臨時很容易倒塌。

2 砌體結構震害分析

多層磚混結構房屋空間小，橫墻數(shù)量多，跨度小，結構整體剛度大。對大量現(xiàn)場的震害調查表明，多層砌體結構若按規(guī)范要求設置抗震性能良好，經(jīng)過工程師們進行過抗震設計的砌體結構產(chǎn)生的倒塌破壞性較小，基本能滿足“大震不倒”的抗震設防目標，說明多層砌體結構建筑具有一定的抗倒塌能力。

（1）在建筑物的底部容易出現(xiàn)承重墻破壞。橫向斜裂縫、單向斜裂縫及圈梁底部的水平裂縫破壞，是地震加速度出現(xiàn)瞬時峰值的主要原因。因此造成墻體被切割破壞，說明砌體結構房屋延展性能較差。

（2）縱向多層砌體結構墻體的破壞。豎向墻體的破壞主要是墻與窗之間的墻體的破壞，墻與窗之間墻體下的橫向斜裂縫都是在地震作用下剪力墻發(fā)生較大的剪切破壞。這類破壞形式較為普遍，因此墻下墻的破壞也較為普遍，工程師們應對于窗與墻間窗的設計及采取的構造措施引起高度重視。

（3）多層砌體墻交叉處出現(xiàn)破壞。在雙向地震作用下，由于應力集中，豎向和水平墻的節(jié)點出現(xiàn)開裂和拉裂現(xiàn)象。

（4）由于構造柱的剪力墻和構造柱上的鋼筋約束不足，導致構造柱的破壞。

（5）多層砌體在±0.00 處破損，墻體破壞形成整體水平裂縫。這是一種特殊的剪切破壞，它會導致房屋整體滑動，從而耗散大量的地震能量，對砌體的其他部分造成輕微破壞。

（6）樓梯間的損壞。樓梯間對建筑物的重要性非常大，樓梯間的破壞和倒塌對人員逃生疏散影響也非常大。

（7）多層砌體結構的倒塌。按倒塌程度分類，砌體結構分為全部倒塌和部分倒塌。汶川地震中，倒塌的高烈度砌體結構大量存在，首先，砌體結構整體較差，連續(xù)抗倒塌能力低，特別是未經(jīng)抗震設防的舊磚房，砌體結構的構造、未采取有效措施，且磚混結構承載力低，開裂后有效約束差，裂縫寬快速擴展，結構延性差，很容易倒塌。

3 控制措施

大量震害統(tǒng)計表明，沒有抗震設防的多層磚房，震害相當嚴重。對砌體結構的震害進行分析，對震害規(guī)律和教訓進行總結，在建筑物整體性不滿足要求時，可采取以下措施改進和優(yōu)化砌體結構的抗震設計和加固方法：

（1）當同一平面內的墻體非封閉布置時，可于洞口處增設墻段或者通過增加設置現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架的方法形成封閉結構。

（2）當水平墻和垂直墻連接不良時，可用鋼拉桿、長錯桿、附加柱或附加圈梁加固。

（3）砌體結構均應增加設置圈梁或構造柱，并且圈梁構造柱在設置時，應相互連接，形成閉合框架。環(huán)梁結構柱采用現(xiàn)澆混凝土，內環(huán)梁采用鋼拉桿。這種方法可以大大提高砌體結構的整體性，防止或延緩砌體結構的倒塌。

結合國內外學者的大量研究發(fā)現(xiàn)，原始的砌體結構抗震措施尤其有效。比如建筑物如果設置了圈梁和結構柱，較好的完整性大大降低了倒塌的可能性。與預制樓板相比，現(xiàn)澆樓板在結構中表現(xiàn)出更為突出的協(xié)同能力[7]。

4 圈梁的作用

圈梁在建筑抗震中起著重要的作用，是一種經(jīng)濟有效的抗震措施。其主要功能如下：

（1）加強房子的完整性。因為環(huán)梁的約束，預制板的傳播的風險，倒塌的平面降低，這樣可以保持作為一個整體的垂直和水平的墻壁和結構，可以充分發(fā)揮每個墻的平面剪切強度，有效抵抗水平地震任何方向作用力。

（2）圈梁處于地板邊緣，可增加地板水平剛度，同時由于箍住了地板（屋頂），也可提高地板完整性。

（3）墻體斜裂縫的發(fā)展和延伸受到限制，從而使得只在兩圈梁之間的墻體截面上出現(xiàn)墻體開裂，墻體的抗剪能力得到充分地發(fā)揮，墻體的穩(wěn)定性大大提高[8]。

（4）可以減少地震時建筑物地基的不均勻沉降影響；當房屋建于軟弱地基上時，均勻荷載作用下的建筑物肯定會產(chǎn)生不均勻沉降，會使抗拉強度很低的墻砌體很可能被拉裂。而通過圈梁的有效協(xié)同作用，增強了建筑物的整體性和抗彎曲能力，有效約束墻體裂縫的開展。此時，將圈梁設置在建筑物的基礎頂面和檐口部位，抵抗不均勻沉降的效果最為顯著。

（5）地震時可以減少甚至防止房屋因地面裂縫產(chǎn)生撕裂，防止較大振動荷載和地震對房屋的不利影響。通過圈梁在空間上的縱橫拉結，尤其通過錨入墻體內的拉結鋼筋，宛如一只只強有力的手臂使縱橫墻體和樓蓋連結成一體，大大提高了建筑物的空間剛度和整體性，加強墻體的抗剪、抗彎曲能力，同時，通過水平圈梁的設置，減少了墻體的豎向自由長度，增強墻體的穩(wěn)定性，從而提高了建筑物的抗震能力和防止墻體連續(xù)倒塌。

5 結束語

綜上所述，過多的圈梁設置，過大的斷面、配筋，以及過高的混凝土標號，都會成為磚混結構中閑置的安全儲備，并不能充分發(fā)揮其應有的作用。且在對砌體結構設置圈梁與否的彈塑性分析發(fā)現(xiàn)，大震作用時，圈梁的設置提高了窗下墻及結構的整體抗破壞能力。判定圈梁的設置對窗下墻的破壞起到了延緩作用，今后工程師們在進行窗下墻的承載能力設計和窗下墻破壞模式的控制方法時，必須將圈梁的作用考慮在內。在我國，目前大量房屋的抗震加固與經(jīng)濟性形成了巨大的反差。作為工程設計人員，應將節(jié)約成本、提高收益作為指導思想，對于部分不符合當?shù)乜拐鹪O防要求的多層磚混結構建筑物，國家可倡導通過加固圈梁和構造柱的方法來提高建筑物的抗震效果，通過合理設置圈梁和構造柱達到連接有效的效果[9]。這樣在保存建筑結構完整性的基礎上，延長了建筑房屋使用年限，也大大提高了建筑房屋使用價值。當然，多層砌體結構的整體連接結構只是抗震設防的一個方面。為滿足住建部要求的“三水準”，工程師們應當嚴格按照國家相關規(guī)范規(guī)定對建筑物進行綜合抗震設防考慮，從而使得建筑物的整體抗震性能得到提高[10]。