砌體結構因其材料選擇及施工的方便性,長期以來是我國應用最廣泛的結構形式之一,其抗震性能的好壞直接影響著人民的生命財產安全。然而,無論是從稍遠時期的唐山大地震,還是幾年前的汶川、玉樹震後統計來看,受破壞最嚴重的無一例外均是砌體結構,而且遙遙領先於其他結構形式。究其原因,由於砌體材料本身的脆性以及砌塊與砂漿間的粘結力較弱,砌體結構抗拉、抗彎、抗剪強度均較低,只有合理設計,採取有效的抗震措施,才能保證結構的抗震性能,抵抗突如其來的地震作用。
一、砌體結構主要震害形態
1.整體或局部倒塌
地震作用下,底層牆體受剪最大,如若強度不足,底層會先倒塌而使整個結構倒塌。地基不均勻時,可能會發生結構一端倒塌而另一端不倒;屋面為預製板的結構,混凝土梁與橫向承重牆體振動不一致,搭在上面的預製板容易脫落;樓梯間、女兒牆以及其它平立面上的突變部位,在地震作用下也容易發生倒塌。
2.裂縫
在水平地震力作用下,砌體房屋縱向窗間牆部位較易發生剪切破壞而出現斜裂縫,之後在地震的反覆作用下,牆體同時還受到拉壓、扭轉、彎折作用而產生交叉裂縫。當房屋採用縱牆承重,橫牆間距過大而屋蓋剛度又較弱時,垂直於縱牆方向的地震力會迫使縱牆在剛度小的方向上發生橫向彎曲,使得縱牆窗戶的上、下皮磚砌體處產生水平裂縫。牆體豎向裂縫主要發生在縱橫牆交接處,在豎向地震作用下,縱橫牆體因荷載不同引起豎向變形,使牆體在連接處產生剪應力,當剪應力超過砌體強度時產生豎向裂縫。
3.變形縫處牆體破壞
在較強的水平地震作用下,牆體的水平振幅較大,設計中變形縫的縫距太小或者其被建築垃圾等封堵住時,兩側牆體較易因互相碰撞、擠壓而受到破壞。
二、砌體結構抗震措施
1.合理布置建築平立面
研究表明,簡單規則的建築物在地震中最不容易發生破壞。因此,無論在建築平面還是立面上,均應力求質量、剛度均勻、對稱分布,避免剛度突變或開設過大洞口。建築平面上宜規則、簡潔,使房屋質量中心與剛度中心儘可能一致,保證在地震作用下不發生較大的扭轉效應。立面上應儘量降低房屋中心,避免頭重腳輕,突出屋面部分不宜過高,避免發生鞭梢效應。
2.嚴格控制總層數及總高度
砌體結構中樓板重量近乎佔到房屋總重量的一半,房屋總高度一定的情況下,多一層樓板意味著增加半層樓的地震作用。歷次震害結果顯示,砌體結構房屋層數越多,高度越高,地震中破壞程度越大,因此,有必要對砌體房屋總層數及總高度進行嚴格控制。《建築抗震設計規範》(GB50011-2010)中7.1.2條規定了我國在不同砌體材料、不同抗震烈度下的總高度和層數限值。同時,橫牆較少的多層砌體房屋,總高度應比規定降低3m,層數相應減少1層各層橫牆很少的多層砌體房屋,還應再較少一層。
3.合理布置樓梯間
樓梯間作為人員疏散通道,在緊急情況發生時,大量人員集中,如果在地震時破壞,極有可能造成傷亡,也使救援工作無法順利進行。建築物的四角是保證結構整體性的重要部位,地震時水平兩個方向地震作用通過牆體傳遞,在角部形成合力,造成應力集中,故不宜在房屋的盡端和轉角處設置樓梯間。
4.合理設置伸縮縫
砌體材料與鋼筋混凝土的線膨脹係數不同,牆體和屋蓋的剛度不同,當溫度變化時,砌體牆體與鋼筋混凝土屋蓋將產生不同的變形。由於牆體變形受屋蓋變形的制約,牆體中會產生溫度應力,一定程度下會生成斜裂縫和水平裂縫。為防止砌體由溫差和牆體幹縮引起的裂縫,可在產生裂縫可能性較大的地方設置伸縮縫,如房屋平面轉折處、體型變化處及錯層處等。此外在屋蓋上設置保溫隔熱層,或在屋面與牆體相接觸的部位設置滑動層,也可有效防止溫度裂縫。
5.重視構造柱與圈梁的設置
在多層砌體房屋中設置鋼筋混凝土構造柱,能約束牆體變形,提高砌體抗剪強度,更重要的作用是增強牆體之間的連接,增強結構的整體性,提高砌體結構的抗震性能,防止房屋在大震時的突然倒塌。構造柱須與各層縱橫牆的圈梁或現澆樓板連接,才能發揮約束作用。構造柱的設置部位因地震烈度和房屋高度的不同而異,具體可見《建築抗震設計規範》(GB50011-2010)7.3.1條的規定。
圈梁也是多層砌體房屋中重要的抗震構造措施,圈梁的設置可以防止因地基不均勻沉降或較大振動荷載對結構的不利影響。圈梁與構造柱相結合,對各層構造柱起到支撐點的作用,共同作為多層砌體房屋的約束構件,限制開裂後砌體裂縫的延伸和砌體的錯位,使磚牆有較大的延性和變形能力,繼續吸收地震能量,避免牆體倒塌。
6.採用隔震結構
砌體結構中採用隔震措施可以有效抗震,即在建築物上部結構與基礎之間設置隔震層,延長整個結構體系的自振周期,增大阻尼,減小傳到上部結構的地震作用。從抗震性和經濟性考慮,建在高烈度區的建築更適合採用隔震結構。
結論
砌體結構是我國歷史較長,應用普遍的結構形式,並且必將在今後很長一段時間內仍然廣泛使用。由於砌體材料的抗拉和抗剪強度都很低,抗震性能較差,在抵禦側向水平地震作用時在變形極小的情況就會開裂,進而倒塌,造成巨大損失。加強砌體結構的抗震設計,對保障人民群眾的生命財產具有十分重要的意義。
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