多層磚混結構房屋的抗震設計探討

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簡介： 磚混結構由于選材方便、施工簡單、工期短、造價低等特點，多年來磚混房屋是我國當前建筑中使用最廣范的一種建筑形式；其中民用住宅建筑中約占90% 以上。磚混結構多采用粘土磚和混合砂漿砌筑，通過內(nèi)外磚墻的咬砌達到具有一定整體連接性的目的。在地震設防地區(qū)，多層磚混砌體房屋由于組成的基本材料和連接方式?jīng)Q定了其脆性性質，變形能力小，導致房屋的抗震性能較差；因此改善砌體結構延性，提高房屋的抗震性能具有極其重要意義。根據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范、砌體結構設計規(guī)范，結合自身設計的實踐經(jīng)驗，我認為，在多層磚混房屋抗震設計上應注意以下幾方面。
關鍵字：多層磚混結構房屋 抗震設計

　　磚混結構由于選材方便、施工簡單、工期短、造價低等特點，多年來磚混房屋是我國當前建筑中使用最廣范的一種建筑形式；其中民用住宅建筑中約占90% 以上。磚混結構多采用粘土磚和混合砂漿砌筑，通過內(nèi)外磚墻的咬砌達到具有一定整體連接性的目的。在地震設防地區(qū)，多層磚混砌體房屋由于組成的基本材料和連接方式?jīng)Q定了其脆性性質，變形能力小，導致房屋的抗震性能較差；因此改善砌體結構延性，提高房屋的抗震性能具有極其重要意義。根據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范、砌體結構設計規(guī)范，結合自身設計的實踐經(jīng)驗，我認為，在多層磚混房屋抗震設計上應注意以下幾方面。

　　一、科學布局建筑平面和立面

　　建筑平面和立面的規(guī)整性是整個結構設計中一個十分基礎、重要的內(nèi)容?？拐鹪O計中，建筑平面、立面宜盡可能簡潔、規(guī)則，結構質量中心與剛度中心相一致。對于結構平面布置不規(guī)則的房屋質心與剛度中心往往不容易重合，在地震作用下會產(chǎn)生扭轉效應，大大加劇地震的破壞力度；對體型不規(guī)則的房屋應注意偏離結構剛心遠端墻段的抗震驗算。建筑立面應避免頭重腳輕，房屋重心盡可能降低，避免采用錯落的立面，突出屋面建筑部分的高度不應過高，以免地震時發(fā)生鞭梢效應，同時應控制好結構豎向強度和剛度的均勻性。

　　建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規(guī)則的設

　　計方案，即使不可避免時，也應盡量在適當部位設置防震縫，將體型復雜，平面特別不規(guī)則的建筑布局分割成幾個相對規(guī)則的獨立單元。在實際工程設計中，應盡可能兼顧建筑造型，又滿足使用功能要求的前提下，將平面布置、立面外觀造型設計得較為規(guī)整、簡潔、美觀大方；同時又能有效地提高工程的抗震性能。

　　二、砌體房屋的總層數(shù)及總高度不應該超限值

　　歷次震害證明，砌體房屋的層數(shù)越多，高度越高，它的地震破壞程度越大，所以控制磚砌體房屋的總高度及總層數(shù)對減少地震時帶來的震害有很大的作用?，F(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范（GB50011—2001）對多層砌體房屋的總高度和總層數(shù)有了強制性規(guī)定：多層砌體房屋的總高度及層數(shù)應滿足表1中的限值。

　　表1 房屋的層數(shù)和高度限值 ( m )

房屋類別最小厚度（毫米）烈度6789高度層數(shù)高度層數(shù)高度層數(shù)高度層數(shù)多層砌體普通磚多孔磚多孔磚小砌磚2402401901902421212187772121182177671818151866561212  44  底部框架抗震墻多排柱內(nèi)框架240240221675221675191364                                       

　　(注：室內(nèi)外高差大于0.6m時，房屋總高度應允許比表中數(shù)據(jù)適當增加，但不應多于1.0m)

　　  在設計中房屋總高度及總層數(shù)應同時滿足上標的限值，因為樓蓋重量占房屋總重的一半左右，房屋總高度相同，多一層樓蓋就意味著增加半層樓的側向地震作用，同時加大對底部的傾覆力矩。在中、強地震作用下，因傾覆力矩過大，使得底部墻體產(chǎn)生過大的壓力或剪刀而被破壞，故此減輕自重、減少層數(shù)、降低層高是削弱地震影響的有效途徑之一。

　　三、增強砌體房屋的剛度及整體性

　　房屋是縱、橫向承重構件和樓蓋組成的一個具有空間剛度的結構體系，其抗震能力的強弱取決于結構的空間整體剛度和整體穩(wěn)定性。剛性樓蓋是各抗側力構件按各自側移剛度分配地震作用的保證?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板及屋蓋具有整體性好、水平剛度大的優(yōu)點，是較理想的抗震構件，不但可消除滑移、散落問題，增加房屋的整體性，增大樓板的剛度，而且對平面上墻體對齊的要求也可予以適當放寬，因作為以剪切變形為主的砌體結構，層間變形是可控制的。較強的樓板及屋蓋水平剛度使荷載傳遞具有良好的條件，平面上，當上下墻體不對齊時，現(xiàn)澆樓板及屋蓋能起到一定的傳遞水平力的作用，同時樓、屋蓋現(xiàn)澆增加了樓板對墻體的約束。因此，采現(xiàn)澆樓、屋蓋是一種較好的增強樓房結構空間剛度和整體穩(wěn)定性的方法，在適當?shù)牟课辉鲈O構造柱，并配置些構造鋼筋，也能達到增強結構整體性的作用；另外，設置配筋圈梁可限制散落問題，增強空間剛度，提高結構整體穩(wěn)定性，從而提高房屋的抗震性能。

　　四、合理布置縱墻和橫墻

　　多層磚混房屋的主要承重構件是縱、橫墻體，在地震中主要由于

　　承重縱、橫墻在地震力作用下產(chǎn)生裂縫，嚴重者會出現(xiàn)傾斜、錯動、倒塌等現(xiàn)象，進而使房屋造到破壞；所以合理布置縱、橫墻對提高房屋抗震性能起到很大的作用。多層磚混房屋應優(yōu)先采用橫墻承重或縱橫墻共同承重的結構體系，縱、橫墻的布置宜均勻對稱，沿平面內(nèi)宜對齊，沿豎向應上下連續(xù)，同時一軸線上的窗間墻寬度宜均勻。房屋的空間整體剛度和整體穩(wěn)定性決定著房屋抗震能力的高低，多層磚混房屋一般采用縱墻或橫墻承重，由于非承重方向的約束墻體少，間距大，因而房屋該方向剛度較弱，空間剛度和整體性均較差，拉震能力低；在高烈度地區(qū)，墻體由于平面外的失穩(wěn)而先行破壞，進而引起整個房屋倒塌。而在兩個方向適當布置縱橫、墻混合承重的房屋，由于其限制了縱、橫墻的側向變形，增強了空間剛度和整體性，對承受縱、橫兩個方向的水平地震作用及抗彎、抗剪都非常有利。墻體布置時，應盡量采用縱墻貫通的平面布置，當縱墻不能貫通布置時，可在縱橫墻交接處采取加強措施，也可在縱、橫墻交接處增設鋼筋混凝土構造柱，并適當加強構造配筋；必要時還可以每隔一定高度放置水平拉結構筋如2Φ6@500，以加強房屋整體性，防止縱、橫墻交接處被拉開。

　　在地震中多層磚混房屋的橫向地震力主要由橫墻承擔，不僅要求橫墻有足夠的承載力，而且樓蓋必須具有能將地震力傳給橫墻的水平

　　剛度；對抗震橫墻最大間距的構造規(guī)定就是為了滿足樓蓋對傳遞水平地震力所需的剛度要求?，F(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范（GB50011-2001）規(guī)定：房屋抗震橫墻的間距不應超過規(guī)范中表決7.1.5的要求，其中，8度設防時，現(xiàn)澆或裝配整體式鋼筋混凝土樓、屋蓋的多層磚混房屋抗震橫墻最大間距為15m。當橫墻間距過大時，縱向磚墻會因過大的層間變形而產(chǎn)生出平面的彎曲破壞，使樓蓋失去傳遞水平地震力的能力，從而導致地震力還未傳到橫墻，縱墻就已先破壞；所以有效地控制橫墻間距能提高房屋的抗震能力。

　　五、適當增加墻體面積與合理提高砂漿強度

　　歷次震害表明，多層磚混房屋的抗震能力與墻體面積大小及砂漿強度等級高低成正比，提高墻體面積、砂漿強度等級能有效地提高房屋的抗震能力，是減輕震害的有效途徑之一。在6層磚混房屋的抗震驗算中，上面幾層的地震作用較小，容易滿足抗震承載力的要求，而底部一、二兩特別是第一層的地震作用力較大，是薄弱層，往往不容易滿足要求；但若改變部分墻體的承載面積或適當提高砂漿的強度等級，如將部分240mm寬的承重墻改為360mm寬的墻，或將砂漿強度等級由M5體高到M10，則在抗震結果中顯示滿足抗震要求?？梢娫谶M行6層磚混房屋的抗震驗算時，適當增加底部1~2層墻體面積或提高砂漿強度能有效地提高房屋的整體抗震能力。

　　當施工質量控制等級為B級時，齡期為28天的以毛截面計算的普通磚和燒結多孔磚砌體的抗壓強度設計值應按表2采用；砌體的軸心抗拉強度設計值，彎曲抗拉強度設計值和拉剪強度設計值應按表3采用。

　　表2       燒結普通磚和燒結多孔磚砌體的抗壓強度設計值（Mpa）

磚強度等級                砂漿強度等級   砂漿強度M15M10M7.5M5M2.5    0MU30  3.94  3.27  2.93  2.59  2.26   1.15  MU25  3.60  2.98  2.68  2.37  2.06   1.05  MU20  3.22  2.67  2.39  2.12  1.84   0.94  MU15  2.79  2.31  2.07  1.83  1.60   0.82  MU10  _  1.89  1.69  1.50  1.30    0.67

　　沿砌體灰縫截面破壞時砌體的軸心抗拉強度設計值，彎曲抗拉

　　表3   強度設計值和抗剪強度設計值（Mpa）    

　　砌體類別

　　燒結普

　　通磚，

　　燒結

　　多孔磚

　　比照以上兩表，可見對于相同類別的砌體，燒結普通磚或燒結多孔磚用不同強度等級的砂漿砌筑，其抗壓強度設計值、軸心抗拉強度設計值、彎曲抗拉強度設計值和抗剪強度設計值是不同的，隨著砂漿強度等級的提高，同類別砌體的以上各設計強度也相應提高，所以可見提高砂漿強度等級，能有效提高砌體的強度，增加砌體的承載力，從而達到提高磚混房屋抗震性能的目的。

　　六、有效設置房屋圈梁和構造柱

　　多次震害調(diào)查表明，圈梁是多層磚房的一種經(jīng)濟有效的措施，可提高房屋的抗震能力，減輕震害。在多層磚混房屋中設置沿樓板標高的水平圈梁，可加強內(nèi)外墻的連接，增強房屋的整體性。由于圈梁的約束作用使樓蓋與縱、橫墻構成整體的箱形結構，能有效地約束預制板的散落，使磚墻出平面倒塌的可能性大大降低，以充分發(fā)揮各片墻體的抗震能力。圈梁作為邊緣構件，對裝配式樓、屋蓋在水平面內(nèi)進行約束，可提高樓蓋，屋蓋的水平剛度，同時能保證樓蓋起一整體橫隔板的作用。圈梁與構造柱一起對墻體在豎向平面內(nèi)進行約束，限制墻體裂縫的開展，且不沿伸超出兩道圈梁之間的墻體，并減小裂縫與水平面的夾角，保證墻體的整體性和變形能力，提高墻體的抗剪能力。設置圈梁還可以減輕地震時地基不均勻沉陷與地表裂縫對房屋的影響，特別是屋蓋和基礎頂面處的圈梁具有提高房屋的豎向剛度和抗御不均勻沉陷的能力?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁的設置應符合

　　現(xiàn)行建筑抗震設計規(guī)范的要求。現(xiàn)澆鋼筋混凝土圈梁應閉合，遇有洞口應上下搭接，圈梁宜與預制板設在同一標高處或緊靠板底。圈梁的截面高度不應小于120mm，配筋應符合表4的要求。

　　表4  磚房圈梁配筋要求 

     配  筋                 烈      度     6、7      8      9     最小縱筋    4Ф10    4Ф12    4Ф14最大箍筋間距（mm）     250  200     150

　　    多次實驗表明，磚墻增設構造柱后能提高磚混房屋的延性，發(fā)揮防止磚砌體側向擠出塌落的約束作用；設置鋼筋混凝土構造柱能使砌體的抗剪承載力提高10~30%，提高砌體的變形能力，是有效的抗倒塌措施。另外，在多層磚混房屋中合理地設置構造柱，能起到增強房屋整體性的作用，還可以利用其塑性變形和滑移摩擦來消耗地震能量，從而大大提高抗震能力。現(xiàn)澆鋼筋混凝土構造的設置部位應符合建筑抗震規(guī)范的要求。構造柱最小截面可采取240×180mm，8度超過五層時，構造柱縱向鋼筋宜采用4Ф14，箍筋間距不應大于200mm，且在柱上、下端宜適當加密。房屋四角的構造可適當加大截面及配筋，構造柱與墻體連接處應砌成馬牙槎，并應沿墻高每隔500毫米設Ф6拉結鋼筋，每邊伸入墻內(nèi)不宜小于1m。

　　七、在合理位置的墻段內(nèi)設置水平鋼筋

　　在抗震驗算中，多層磚混房屋底層往往不容易滿足抗震要求，即使有時在適當部位加設構造柱也不能完全滿足抗震承力驗算。為了提高墻體的抗震能力，可在抗震力不夠的承重墻段內(nèi)配置水平鋼筋，使地震力由砌體及水平鋼筋共同承擔。一些試驗表明，配筋多孔磚墻體可以有效地提高墻段的抗震性能，減少脆性，增加延性，增強磚混房屋的抗震性能。水平配筋磚砌體的砌筑砂漿強度等級不應低于M7.5，水平鋼筋宜采用HPB235、HRB335鋼筋，配筋率不應小于0.07% ，也不宜大于0.17%，間距不應大于400mm；鋼筋錨固長度不宜小于180mm。

　　八、其它措施

　　多層磚混結構房屋的樓梯間宜設置在每個單元中部，盡量避免將樓梯設在房屋盡端靠近山墻處；突出屋頂?shù)臉翘蓍g，構造柱應伸到頂部與頂部圈梁連接。為了避免個別墻段抗震強度不足首先破壞，導致逐個破壞，進而造成整棟樓破壞甚至倒塌，要求房屋的局部尺寸宜滿足抗震規(guī)范的限值要求。

　　多層磚混結構房屋可以通過建筑上的合理布局，結構上的構造措施等多種方法來彌補砌體房屋脆性材料在抗震方面的不足，從而滿足抗震要求。在抗震設計時體現(xiàn)以預防為主的設計思想達到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設防目標。對于建設工程只有在抗震設防，抗震設計和施工質量這三方面都符合要求，才能確保建筑工程具備合理的抗御地震的能力。