论多层砌体结构房屋抗震设计

1 四川大学网络教育学院 本科生 (业余 )毕业论文（设计） 题 目 论多层砌体结构房屋抗震设计 办学学院 四川大学网络教育学院 校外学习中心 业 土木工程 年 级 指导教师 学生姓名 学 号 2014 年 9 月 3 日 2 论多层砌体结构房屋抗震设计 专业： 土木工程 学生： 指导教师： 要 多层建筑常采用多层砌体结构，多层砌体结构由于建筑材料的来源广泛，从而易于取材、易于生产和建设施工，并且与其他结构相比价格较低，具有良好的耐火性、耐热 性、隔音性和耐久性，从而在房屋的建设中得到了广泛的应用。 砌体结构作为在我国应用最为广泛的结构形式，其抗震性能的好坏直接影响着人民的生命财产安全。通过对砌体结构抗震计算、构造中需注意的问题的阐述，根据对规范的理解，并结合多年的工程实践，提出解决方案，为砌体结构房屋的设计提供参考。 在砌体结构房屋的设计过程中，还应重视房屋抗震设计，通过对砌体结构房屋的砌体结构的分析，通过地震对多层砌体结构房屋的破坏程度和原因的深层探析，提出有针对性的多层砌体结构的抗震设计。 关键词： 多层砌体房屋 结构设计 常见问题 3 of is in of of is to be to in of as of in is or a on s In to to of of In of of to of of of to of 目 录 1 概述 . 5 2 震害及其分析 . 6 体的破坏 .体转角处的破坏 .梯间墙角的破坏 .外墙连接处的破坏 .盖预制板的破坏 .出屋面的屋顶间等附属结构的破坏 .工质量及其它损坏 . 结构体系要合理 . 8 优先采用横墙承重和纵横共同承重 .横墙的布置应均匀对称，竖向应上下连续 .震缝的设置 .屋高度及高宽比的限制 .梯间不宜设在房屋的尽端和转角处 . 增强砌体房屋的整体性及 刚度 . 10 用现浇钢筋砼楼板及屋盖 .理设置圈梁和构造柱 . 砌体房屋抗震计算分析 . 11 6 多层砌体结构房屋的地震破坏形式 . 11 7 砌体结构的布置 . 11 8 对附属构件进行抗震设计及验算时应注意的事项 . 11 9 结语 . 12 参考文献 . 13 5 论多层砌体结构房屋抗震设计 1 概述 多层砌体房屋是指竖向承重构件采用粘土砖、砌块、石块通过砂浆砌筑成承重墙体和各种砼楼板组成的结构。墙体材料以往采用普通粘土砖，它是一种很大的浪费，烧制粘土砖吃掉了大量的耕田，资源的浪费十分可惜。从 60 70 年代后，新的墙体材料有了较大的发展，混凝土小型空心砌块具有生产工艺简单、施工方便，节约良田和造价低廉等特点已在我国推广使用，并有了专门的设计和施工规程。承重的多孔砖具有减轻自重，提高保温性能，节约良田等优点，也有了推广使用价值，而且逐步可取代砖砌体。多层砌体房屋是我国目前房屋建筑中的主要结构类型之一，特别是在住宅、办公楼、学校、医院等建筑中获得广泛应用。据统计，砌体结构在整个建筑工程中占 80以上，在民用住宅建筑中约占 90以上。 尽管砌体结构应用广泛，但是，这类建筑的抗震性能较差，因为砌体结构是用 脆性砌块材料和砂浆砌筑而成，砌体的延性差，抗剪、抗弯、抗拉强度低，整体性很差。特别是未经合理抗震设计的多层砌体房屋在地震中的震害更为严重。（例如： 1906 年美国旧金山地震，砖石结构房屋破坏十分严重，连市政府大楼也全部倒塌。 1923 年日本东京大地震， 7000 多幢砖结构房屋中，大部分遭到严重破坏，其中仅 1000 余幢平房可修复使用。我国近年来发生的一些破坏性地震，特别唐山地震、砖混结构的破坏率也很高。据对唐山烈度为 10度及 11度区的 123幢 23 层的砖混结构房屋的调查，倒塌率为 严重破坏者为 尚可修复使用的仅占 实际破坏率达 但是通过震害调整也显示，在 区，甚至在 9 度区，砖混结构房屋受到轻微损坏，或者基本完好的例子也是不少的。（比如，在唐山大地震中，位于烈度 6 7 度区中的砖混结构，仅 10 15有不同程度的破坏，而绝大部分基本完好）。 从以上的震害调查可以说明，砌体房屋虽然抗震性能相对比较低，但仍具有一定的抗倒塌能力。尤其是在地震烈度不高时，砌体房屋仍能不同程度的抵抗地震的破坏。震害分析及实践表明，只要通过合理的抗震设计，构造得当，保证施工质量，则在中、强地震区，多层砌 体房屋是能够实现“小震不坏、设防烈度可修、大震不倒”的设防目标的。 根据我国的具体情况，在今后一定时期内，砌体结构仍将是城乡建设中的主要结构形式，因此研究提高砌体结构的抗震性能具有十分现实的意义。 6 2 震害及其分析 人们常说，地震来袭时地动山摇，房屋随之倒塌。确实，由于建筑物依附在地球表面，建筑物受地震破坏的方式主要受地震波的传播方式影响。地震波传播方式有纵波、横波、面波。 纵波使建筑物上下颠簸，力量非常大，建筑物来不及跟着运动，使底层柱子和墙突然增加很大的动荷载，叠加建筑物上部的自重压力，若超出底层 柱、墙的承载能力，柱、墙就会垮掉。底层垮掉后，上面几层建筑的重量就像锤子砸下来一样，又使第二层压坏，发生连续倒塌，整个建筑直接 “ 坐 ” 下来，原来的第三层瞬间变为 “ 第一层 ” 。 横波使建筑物水平摇摆，相当于对建筑物沿水平方向施加了一个来回反复的作用力，若底部柱、墙的强度或变形能力不够，就会使整栋建筑物向同一方向歪斜或倾倒，在震区常常看到这种现象。 面波使建筑物扭转。引起扭转的原因是有的地震波本身就是打着 “ 旋儿 ” 过来的，也有的情况是因为面波到达建筑物两端早晚的时间差引起的。这种情况引起建筑物扭动。建筑物一般抗扭能力 较差，很容易扭坏。震区有的房子角部坍塌，多属这种情况。 一旦碰到上下颠、左右摇、扭转，三种方式共同发生，破坏力就更加可怕。在离震中较近的范围，往往三种方式交织作用，所以破坏力很大。此外，每个建筑物都有自己特定的自振频率，如果这个频率与地震作用的频率接近，还会引起类似共振的效应，那样带来的破坏力就更可怕了。 在强烈地震作用下，多层砌体房屋的破坏部位，主要是墙身和构件的连接处，楼盖、屋盖结构本身的破坏较少。下面根据历次地震的宏观调查结果，对多层房屋的破坏规律及其原因作一简要说明。 体的破坏 在砌体 房屋中，与水平地震作用方向平行的墙体是主要承担地震作用的构建。这类墙体往往因为主拉应力强度不足而引起斜裂缝破坏。由于水平地震反复作用，两个方向的斜裂缝组成交叉型裂缝。这种裂缝在多层砌体房屋中一般规律是下重上轻。这是因为多层房屋墙体下部地震剪力大的缘故。 体转角处的破坏 由于墙角位于房屋近端，房屋对它的约束作用减弱，使该处抗震能力相对降低，因此较易破坏。此外，在地震过程中当房屋发生扭转时，墙角处位移反应较房屋其它部位大，这也是造成墙角破坏的原因。 7 梯间墙角的破坏 楼梯间除顶层外，一般层墙体计 算高度较房屋其它部位墙体小，其刚度较大，因而该处分配的地震剪力大，故容易造成震害。而顶层墙体的计算高度又较其它部位大，其稳定性差，所以也易发生破坏。 外墙连接处的破坏 内外墙连接处是房屋的薄弱部位，特别是有些建筑内外墙分别砌筑，以直槎或马牙槎连接，这些部位在地震中极易拉开。造成外纵墙和山墙外闪、倒塌等现象。 盖预制板的破坏 由于预制板整体性差，当板的搭接长度不足或无可靠拉结时，在强烈地震过程中极易塌落，并常造成墙体倒塌。 出屋面的屋顶间等附属结构的破坏 在房屋中，突出屋面的屋顶 间（电梯机房、水箱间等）、烟囱、女儿墙等附属结构，由于地震 “ 鞭端效应 ” 的影响，所以一般较下部主体结构破坏严重，几乎在 6 度区就发现有所破坏。特别是较高的女儿墙、出屋面的烟囱，在 7 度区普遍破坏， 8 9 度区几乎全部损坏或倒塌。 工质量及其它损坏 施工质量直接影响房屋的抗震能力。震害调查表明：砂浆强度、灰缝饱满程度，纵横墙体间及其它构件间的联结质量，都明显影响房屋的抗震能力。这是因为砂浆的强度，灰缝的饱满程度直接影响砌体的抗剪、抗拉强度，而纵横墙体间及其它构件间的可靠联结是保证房屋整体性的重要措施，因而直 接影响房屋的抗震能力。（例如： 1988 年 11 月 6 日在云南边境的澜沧县和耿马县，连续发生了 两次强烈地震，波及面积九万多平方公里，受灾人口达五百万之多，倒塌和震毁二万多间房屋，这是自唐山地震以来，破坏损失最为严重的一次。这次地震发生在人烟稀少的边境农村，造成如此巨 大的损失。有许多具有普遍意义的经验教训。其中，施工质量的低劣造成的损失是一个非常沉痛的教训。该震区大量倒塌的新建工程，绝大部分属于越级施工，无照施工；大多数工程技术人员不懂得抗震设计规范，甚至缺乏起码的建筑设计知识；有的名为框架结构，实际是梁柱的简单组合，柱截面过小，主筋塔接过短，且箍筋稀少。灾区新建房屋施工质量的低劣更是触目惊心。例如：砖砌体的砂浆强度等级低，灰浆不饱满，纵8 横墙不咬槎，有的 240 墙基本上是将两片 120 墙砌在一起，整体稳定性很差。边区人民盼望多年才建起来的医院、学校、住宅等大量建筑就这样毁于 一旦。） 砖混结构房屋其它部位的破坏常见的有：由于伸缩缝过窄，不能起抗震缝的作用，地震时缝两侧墙体发生碰撞而造成破坏；油毡防潮层处，由于地震力的作用发生错动而出现水平裂缝；门窗过梁两端墙体常产生倒八字裂缝或水平和竖向裂缝，这有的是因为平拱过梁两端的墙体在地震荷载作用下产生剪切变形而使拱脚失去支撑所致。 总结以上的破坏现象，造成多层砌体房屋破坏的原因大致可归纳为以下三个方面： （ 1）房屋建筑布置和结构布置不合理造成局部地震作用效应过大。 （ 2）砌体墙片抗震承载力不足，出现开裂甚至局部倒塌。 （ 3）房屋构件（墙 片、楼盖、屋盖）间连接强度不足，整体性差。 针对上述震害发生的三大原因，多层砌体房屋的抗震设计也可分为三个主要部分： （ 1）建筑布置与结构选型 合理的建筑和结构布置，房屋总高度、总层数的限制等，主要目的是使房屋的地震作用下各构件能均匀受力，不产生局部过大的内力和应力。 （ 2）抗震承载力验算 包括墙片地震剪力的计算及抗剪承载力的验算，确保每片 墙在地震作用下不发生破坏。 （ 3）抗震构造措施 主要包括加强房屋整体性和构件间连接强度的措施，如构造柱、圈梁、拉结钢筋的布置，对墙体间咬槎砌筑及楼板搁置长度的要求等。 需要说明的是，多层砌体房屋在强烈地震袭击下易倒塌，因此防倒塌是多层砌体房屋抗震设计的重要内容，这方面应从搞好抗震概念设计来加以解决，不再进行罕遇地震作用的变形验算。 3 结构体系要合理 优先采用横墙承重和纵横共同承重 纵墙承重的砌体结构，横墙虽然也承受荷载，但设置横墙的主要目的是为了满足空间刚度和 整体性的要求，因此，其间距可以相当大。这种承重体系房屋的空间较大，有利于使用上的 灵活布置。横墙由于为非承重墙，受剪承载能力降低，破坏程度较为严重。 9 横墙承重的砌体结构，由于横墙开洞较少，横墙 间距小，又有纵墙在纵向拉结，所以房屋整 体刚度大，整体性好，具有较好的传递地震作用的能力。 纵横墙共同承重的多层砌体结构房屋能够比较直接的传递纵横向地震作用。所以应优先采用 横墙承重或纵横共同承重。多层砌体房屋抗震横墙的间距应符合建筑抗震设计规范 (0112008 年版 )第 的规定。 横墙的布置应均匀对称，竖向应上下连续 墙体是承担地震作用的主要构件，墙体的布置和间距对房屋的空间刚度和整体性影响很大。 因而，对建筑物的抗震性能有重大影响。纵横墙的布置应均匀 对称，沿平面宜对齐，沿竖向 应上下连续，同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。 震缝的设置 对于抗震设防烈度高的地区，由于房屋立面高差、错层以及各部分结构刚度和质量截然不 同，防震缝应沿房屋全高设置，从而将房屋分成若干体型简单、结构刚度均匀的独立单元。 对于多层砌体房屋，防震缝的设置应符合建筑抗震设计规范 (2008 年版 ) 第 的规定。 屋高度及高宽比的限制 随着房屋高度的增大，地震作用也将增大，因而，房屋的破坏将加重。震害调查表明：六层 砖房的 震害较四、五层砖房明显加重，而二、三层砖房的震害又较四、五层砖房轻得多。同 时，砌体房屋高度过高，将使砌体截面增大，从而导致结构自重增大，地震作用加重的不利 后果。因此，从技术和经济角度来看，对砌体房屋总高度应予以限制。另外，随着房屋高宽 比的增大，地震作用效应将增大，由整体弯曲在墙体中产生的附加应力也将增大，房屋的破 坏将加重。对于多层砌体房屋，房屋高度及高宽比的限制应符合建筑抗震设计规范 (0112008 年版 )第 和 的规定。 梯间不宜设在房屋的 尽端和转角处 楼梯间的刚度一般较大，受到的地震作用往往比其他部位大。同时，其顶层的层高又较 大，墙体受嵌入墙内的楼梯段的削弱，所以，楼梯间的震害比其他部位严重。因此，楼梯间 不宜布置在房屋端部的第一开间及转角处，不宜突出，也不宜开设过大的窗洞，以免将楼层 圈梁切断。同时，应特别注意楼梯间顶层墙的稳定性。楼梯间的构造应符合建筑抗震设计 规范 (2008 年版 )第 的规定。 10 4 增强砌体房屋的整体性及刚度 用现浇钢筋砼楼板及屋盖 房屋是纵横向承重构件和楼屋盖 组成的一个具有空间刚度的结构体系，其抗震能力的 强弱取决于结构的空间整体刚度和整体稳定性。地震作用主要集中在楼盖水平处，并通过楼 盖与墙体的连接传给下层墙体，因此，楼盖与墙体应有可靠连接，以保证地震作用的传递。 现浇钢筋砼楼板及屋盖具有整体性好、水平刚度大的优点，是较理想的抗震构件，不但可以 消除预制楼板所产生的滑移、散落问题，还可以增加房屋的整体性，增大楼板的刚度，同时 楼屋盖现浇增加了楼板对墙体的约束。因此，采用现浇楼屋盖是一种较好的增强楼房结构空 间刚度和整体稳定性的方法。 理设置圈梁和 构造柱 1976 年的唐山大地震和 2008 年的汶川大地震震害调查表明，两次地震砌体结构破坏严重的 原因在于没有合理的设置构造柱和圈梁，或者是构造柱上下端箍筋应加密而没有加密。如果 根据本地区抗震设防烈度进行合理的设置及配筋，将会使墙体的抗剪能力提高 10% 20%，变 形能力大大增加，延性可提高 3 4 倍。当墙体周边设有钢筋砼圈梁和构造柱时，在墙体达到 破坏的极限状态下，由于钢筋砼构造柱的约束，使破碎的墙体中的碎块不易散落，从而能保 持一定的承载力，以支承楼盖而不致发生突然倒塌。 构造柱作为一种竖向构件，一般 沿墙高截面不变，配筋也少有变化。因此，在各楼层柱高处 必须有圈梁作为锚固点，有了二者的拉结作用，才能形成对上下和左右墙段的约束作用 ，从而限制墙体开裂发展，并减少裂缝与水平面的夹角，保证墙体的整体性和变形能力，提 高墙体的抗剪能力。圈梁可加强墙体间以及墙体与楼盖间的连接，在水平方向将装配式楼屋 盖连成整体，因此，设置圈梁可以增强房屋的整体性和空间刚度，从而提高房屋的抗震能力 ，达到 “ 裂而不倒 ” 的目的。 根据我国历次地震灾害调查，解决砌体结构整体性和提高抗震性能，主要是如何落实抗震规 范执行的问题，特别是落 实圈梁和构造柱抗震措施。所以，现浇钢筋砼构造柱和圈梁的设 置部位、截面、与其他构件的连接及加固措施必须符合建筑抗震设计规范 (1)(2008 年版 )第 的要求。 11 5 砌体房屋抗震计算分析 确定多层砌体结构房屋的计算简图，应考虑以下几点：将水平地震作用在建筑物两个主轴方向分别进行抗震验算。地震作用下结构的变形为剪切型。房屋各层楼盖水平刚度无限大，仅做平移运动 ,因此各抗侧力件在同一楼层标高处侧移相同。 在计算多层砌体房屋地震作用时，应以防震缝所划分的结构单元为 计算单元，在计算单元中各楼层的集中质点设在楼、屋盖标高处，各楼层质点重力荷载应包括楼、屋盖上的重力荷载代表值，墙体上、下层各半的重力荷载。 6 多层砌体结构房屋的地震破坏形式 房屋预制板楼、屋盖遭到破坏；楼梯间墙体破坏；外纵墙破坏；纵墙在室外地坪处产生水平裂缝；外纵墙洞口间墙体 x 型裂缝；房屋结构的其它破坏形式。通过对地震后灾区的房屋结构破坏状况进行分析，从而分析出房屋建筑抗震能力的薄弱环节，从而能建立有针对性的房屋抗震结构的设计和实施。 7 砌体结构的布置 多层砌体结构在地震中与水平地震作 用平行的墙体是承受地震作用的主要抗侧力构件，从以往的地震调查资料显示，承重横墙的破坏主要剪切破坏，且一般是底层比上层严重。纵墙的破坏往往是因为横墙间距过大或者楼（屋）盖刚度较差而使平面外受弯受剪，在窗口上下截面处出现水平裂缝。建筑物墙角的破坏也是很常见的，主要是因为应力集中和地震的扭转作用造成的。楼