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1、砌体结构的抗震设计一、引言中国是砌体大国。据统计，1980年的全国年产量为1600亿块，1996 年增至6200亿块，为世界其它各国砖每年产量的总和。全国基建中采 用砌体作墙体材料约占90%左右。在办公、住宅等民用建筑中大量采用 砖墙承重。现在每年兴建的城市住宅建筑面积多达1亿m2以上。在中 小型单层工业厂房和多层轻工业厂房，以及影剧院、食堂、仓库等建 筑也广泛采用砖墙、柱承重结构。砖石结构还用于建造各种构筑物。 每座都有新发展和世界纪录我国还积累了在地震区建造砌体结构房屋 的宝贵经验。我国绝大多数大中城市在6度或6度以上地震设防区。 地震烈度W6度的砌体结构经受了地震的考验。经过设计和构造上
2、的改 进和处理，还在7度区和8度区建造了大量的砌体结构房屋。据不完 全统计，从80年代初至今10多年间我国主要大中城市建造的多层砌 体结构房屋建筑面积已达70-80亿m2。可见砌体的安全成为关系砌体 设计的重点。二、新材料、新技术、新结构的研究与应用使砌体的抗震不断发展。60年代以来，我国粘土空心砖（多孔砖）的生产和应用有较大的发 展，多孔砖砌体设计与施工技术规程行业标准，为这种砖的推广 创造了条件。近10余年来，采用砼、轻骨料砼或加气砼，以及利用 河砂、各种工业废料、粉煤灰、煤干石等制无热料水泥煤渣砼砌块或 蒸压灰砂砖、粉煤灰硅酸盐砖、砌块等在我国有较大的发展.砌块种类、 规格较多，其中以中
3、、小型砌块较为普遍，在小型砌块中又开发出多 种强度等级的承重砌块和装饰砌块。70年代以来，尤其是1975年海城 一营口地震和1976年唐山大地震之后，对设置构造柱和圈梁的约束砌 体进行了一系列的试验研究，其成果引入我国抗震设计规范。在此基 础之上，通过在砖墙中加大加密构造柱形成所谓强约束砌体的中高层 结构的研究取得了可喜的成果。和约束配筋砌体对应的是所谓均匀配 筋砌体，即国外广泛应用的配筋砼砌块剪力墙结构，这种砌体和纲筋 砼剪力墙一样，对水平和竖向配筋有最小含钢率要求，而且在受力模 式上也类同于砼剪力墙结构，它是利用配筋砌块剪力墙承受结构的竖 向和水平作用，是结构的承重和抗侧力构件。配筋砌体具
4、有强度高、 延性好，和钢筋砼剪力墙性能十分类似，可以用于大开间和高层建筑 结构。如美国抗震规范规定，配筋砌体的适用范围同钢筋砼结构。我 国在80年代初期主持编制国际标准配筋砌体设计规范起至今对其 进行了较为系统的试验研究，表明用配筋砌体可建造一定高度的既经济又安全的建筑结构，配筋砌体中高层的研究和应用具有十分广阔的 前景。三、砌体抗震结构的选择。根据新规范GB50011-2001砌体结构形式分为：多层、底框和 内框架。多层砌体除体形、层高、层数、结构形式等满足新规范构造 要求外，主要的抗震构件为墙体边缘约束构件（构造柱、圈梁）。当 层数和房屋高度接近和达到砌体结构限定高度时，横墙内的构造柱间
5、距不宜大于层高二倍；纵墙内的构造柱一般不宜超过3.9m（外纵墙）和 4.2m（内纵墙）。当房屋的设防烈度较高或横墙较少，横墙内的构造柱 间距不宜大于层高，在纵墙内的柱距不宜大于4.2m;同时，在所有纵墙 墙交接处及横墙中部，也均应设有构造柱以约束相应墙段的砌体。墙段不能胜任所承担的地震作用时，可采用增设构造柱的做法来 提高墙段的抗剪强度，其构造做法是：（1）构造柱宽度同墙厚，常用 的有240X240或190X300，长度不宜超过300。截面不宜过大，过大 不利于墙壁柱协同工作；（2）构造柱间距不宜大于4m。试验证明，墙 段的宽高比超过2时，构造柱的约束作用降低。构造柱间距过大，对 提高墙体的抗
6、剪能力会有不利影响。（3）有中段构造柱墙段的抗剪承 载力计算：1Vw 厂F f (A-A)+1 fA+0.08fA c VEct cy sREy式中：7为承载力抗震调整系数，墙段两端有柱取0.9，一边有柱或 RE两端无柱取1.0,自承重墙取0.75；气为墙体约束修正系数，一般情况 取1.0,构造柱间距小于2.8时取1.1；九为砌体沿阶梯形截面破坏的抗 震抗剪强度设计值；A为砌体墙段截面总面积；为A墙段中部构造柱横 c截面总面积；(为中段构造柱参与工作系数，居中设一根时取0.5,多于 一根时取0.4;ft为中段构造柱的砼轴心抗拉强度设计值；fy为中段构造 柱的纵向钢筋抗拉强度设计值；为中段构造柱
7、的纵向钢筋横截面总面 积；&为中段构造柱参与工作系数，居中设一根时取0.5,多于一根时取 0.4。也可采用配筋砌体做为抗震构件，实心粘土砖及多孔砖、蒸压类砖 等强度能达到MU20 (孔洞率较小，不宜砌筑芯柱配筋砌体)，砼小型空 心砌块孔洞率可达50%左右，强度可达MU20,是砌筑芯柱配筋砌体的理想 材料。配筋砌块砌体墙的力学性能与钢筋砼墙的非常接近，因为同属一 种材料，仅在构造上有所区别。因此，如正截面承载力的计算，配筋砌 块可采用与钢筋砼完全相同的基本假定和计算模式，仅是砌块墙中灌芯 砌体的极限压应变应有所区别。配筋砌块剪力墙中的抗剪承载力主要与 下列因素有关：(1) 砌块砌体剪力墙的轴压比
8、剪力墙的轴压比对抗剪承载力的影响是比较明显的。在轴压不大的情 况下，墙体的抗剪能力和变形性能是随增加而增加的；但是当达 到一定数值后，墙体的承载力反而会下降，而且破坏形态也会改变。根 据我国的试验数据，需控制砌块剪力墙中正应力，对抗剪承载力的提高 不大于0.12N（N为轴力）。（2）砌块剪力墙的高宽比的或剪跨比当剪跨比比较小时，如入W1，则主要为剪切破坏；当入1时，则趋于 弯曲破坏。剪切破坏的墙体抗侧承载力远小于弯曲破坏的墙体抗侧承载 力。因此，设计时应尽量避免墙体的剪切破坏。两种破坏形态还与正应 力有关。根据国内试验资料，一般认为入二2.0左右作为两种破坏形 态的分界值比较适宜。（3）配筋砌
9、块砌体剪力墙中的钢筋砌体剪力墙中的钢筋提高了墙体的变形能力和抗剪能力。其中水平钢 筋的配置在通过斜截面上直接受拉抗剪，但在墙体开裂前几乎不受力， 侍墙体开裂后水平钢筋才参与工作，直到达到屈服。坚向钢筋的抗剪作 用主要通过销栓作用使钢筋受力，但一般墙体达到极限荷载时，钢筋也 不能达到屈服，仅有部分坚向钢筋屈服。配筋砌块砌体剪力墙的抗剪承载力除决定于上述诸因素外，还与砌 块及灌芯砼的强度有关。配筋砌块砌体剪力墙一般要求灌实全部或大部 分孔洞。因此，砌筑砂浆的强度对墙体的抗剪承载力影响减小，使此种 墙体的抗剪性能更接近于钢筋砼剪力墙。配筋砌块砌体剪力墙的抗震设计遵循“强剪弱弯”的原则。按照不 同的抗
10、震等级，加强底部剪力墙的承载力，可分别取1.21.6倍进行 设计。配筋砌块砌体剪力墙截面组合的剪力墙设计值应满足：当剪跨比大 于2时V g (0.2/ bh )REgc w w当剪跨比小于2时V 日(0.15/ bh )REgc w w式中：孔。为灌芯砌块砌体抗压强度设计值；bw，hw分别为剪力墙 截面的宽度和高度；Y屈为承载力抗震调整系数，取0.85。偏心受压配筋砌块砌体剪力墙截面的受剪承载力应满足11/ AV ,ns (0.48 b h +0.1N+0.72 、h 丫 RE 人 UQgv w wvh S w0八 /1 伞c a I、0.5VWy (0.72fvh Lhw0)式中：N为剪力培
11、轴压力设计值，不大于0.2/小人为计算截面剪 跨比，ai=M/Vhw，当人小于1.5时取2.2，当人大于2.2时取2.2; 、为灌芯砌块砌体抗剪强度设计值，可取fgv=0.2九；入酣为同一截面 的水平钢筋截面积；S为水平分布筋间距；f皿为水平分布筋抗拉强度设 计值的。hw0为剪力墙截面有效高度；七取值同上。配筋砌块砌体剪力墙结构中，连梁作为整体结构的第一道防 线，即设计时应使连梁先于剪力墙破坏，从而保证墙体的安全。在对连 梁设计时，应使连梁斜截面抗剪能力大于正截面抗弯能力，从而体现“强 剪弱弯”的原则要求。配筋砌块砌体剪力墙连梁可以是配筋砌块连梁也 可以是现浇钢筋混凝土连梁。当跨高比较小时，如
12、小于2.5，即似“深 梁”的范围；而当跨高比大于2.5时，即似“浅梁”范围，此时受力则 更如大剪跨比的剪力培。因此，剪力墙连梁除满足正截面承载力要求外， 还应满足受剪承载力的要求，以避免连梁产生受剪破坏后导致剪力墙因 延性降低而破坏。考虑到连梁受力较大、配筋较多时，会给砌块砌体施工带来困 难，因此，规定跨高比大于2、5时，应采用现浇钢筋混凝土连梁，而 不允许采用砌块砌体连梁。配筋砌块砌体剪力培连梁的截面组合设计值 和斜截面受剪承载力的计算，均同混凝土结构设计规范中的连梁计 算。四、抗震措施抗震设计应该包括两部分内容：一是抗震验算；二 是抗震措施。 两者不可偏废在某种程度上，抗震措施的重要性甚至
13、更应突出.砌体结构的抗震措施可分为两部分，一部分是共性的规律，加抗震 设计的基本要求中列举的条款。如不应采用严重不规则的方案；应使平 面布置规则、对称；立面和竖向设计应规则，结构的侧向刚度应均匀变 化，避免有突变；尽量选择有多道设防的结构体系；保证结构有良好的 整体性，以及在结构材料、场地地基方面的选择等诸如此类与概念设 计有关的原则，仍将继续遵守和沿用。此外，在砌体结构抗震构造措施 方面，新规范提出了若干新的改进措施，列举如下：(1) 各类砖砌体结构新规范针对各类砖砌体的应用范围作了扩大。根 据各地资源情况，不但对传统的粘土类砖的抗震提出了措施要求，考虑 到全国各地资源分布不同，还列人了蒸压
14、类砖砌体、非粘土类砖砌体以 及多孔砖砌体等。这就使砖砌体适应的范围更大，基本包含了全国六 度以上地震区的城镇建筑。结合近十余年来大量工程实践的震害经验， 在结构抗震构造措施方面的改进主要有：1)对钢筋混凝土构造柱和 圈梁的要求提出了更为严格的设置和连接规定，取消了可以隔层设圈梁 的要求；2)对楼、屋盖与墙体连接的要求，规定为了加强楼、屋盖 的边缘构件，即使在现浇钢筋混凝土楼板中，亦应沿周边加强配筋构造， 以保证楼板边沿与墙的可靠连接；3)对于大开间、少横墙的砌体建筑， 提出应降低层数和高度的要求，或者采取一系列补强措施，以弥补由此 带来的不足；4)对于教学楼一类横墙很少的建筑，近年的震害再次
15、证明破坏很严重，因此要求严格控制建造层数和高度，即比一般砌体结 构降低2层或6 m，同时，还须从抗震构造措施上加强，来保证此类结 构的整体安全。(2) 多层砌块建筑多层砌块的规格与国外一致，采用390X190X 190带单排孔的块型，孔洞率为5 0%左右，用砂浆砌筑。此类结构由 于取材较易，加工生产也并不复杂，特别是有良好的环境效益，日后将 成为我国替代粘土类制品的最佳选择。目前，多层砌块允许建造高度与 一般砌体相同，造价亦相当接近。其抗震性能经过近十余年的研究，只 要采取适当措施，抗震性能有可能超过一般砌体结构。多层砌块砌体结 构有二种构造做法：一种是从国外引进的传统的芯柱做法，即利用砌块
16、的孔洞，在部分孔洞中插人钢筋并灌实混凝土，形成芯柱体系；另一种 做法是我国近年来研究成功的芯柱加构造柱体系，即在墙体连接部位采 用现浇钢筋混凝土构造柱，在门窗洞口或墙段中段做芯柱。后者更具有 吸引力和发展前途。多层砌块砌体结构仍属刚性结构，其抗震特性与一般砌体结构十分 相似。因此，除结合材料本身的特点外，其它各项抗震措施均适用。(3) 底部框架抗震墙房屋这是我国砌体结构的一种特有形式，上部 为多层砌体，下部为钢筋混凝土框架一一抗震墙。这一结构形式的出现， 主要是因为在住宅区中沿街需要开设商店，因而对空间有较大较高的要 求。但是，应当认为此类结构形式对结构抗震是不利的，结构沿高度方 向不但刚度变化，连材料都不相同。地震震害也表明此类结构倒塌破坏 较多。但是，考虑到目前的经济发展水平，全部沿街住宅采用框架或框 架抗震墙结构从经济上
