建筑结构抗震设计(3)

6.2砌体房屋抗震设计本节主要介绍多层砌体房屋、底部框架-抗震墙砌体房屋的震害特点、概念设计、抗震计算和抗震措施等。6.2.1多层砌体房屋的震害及分析砌体房屋是指采用普通砖（包括烧结、蒸压、混凝土普通砖）、多孔砖（包括烧结、混凝土多孔砖）和混凝土小型空心砌块等砌体承重的多层房屋。砌体房屋通过块体和砂浆砌筑而成，一般整体性差，其抗剪、抗拉和抗弯的强度低，容易发生脆性破坏。砌体房屋的宏观震害现象主要表现为墙体开裂、局部倒塌或倒塌等。墙体开裂主要是因地震作用引起的内力超过砌体房屋的承载力而发生的破坏，与抗震动特性和砌体房屋的结构特性相关。墙体开裂主要表现为斜裂缝、水平裂缝、整片墙体甩落或墙角破坏等。当水平地震作用方向与墙体近似平行时，可能因墙体的主拉应力达到极限强度而产生斜裂缝。由于地震的反复作用，容易形成交叉裂缝，如图6.19所示。当地震作用方向与墙体近似垂直时，可能出现平面弯曲破坏，造成大面积的墙体甩落，如图6.20所示。当受竖向地震作用时，墙体容易受拉而出现水平裂缝，如图6.21所示。而在扭转地震作用下，房屋倒塌主要是由于砌体房屋某层或局部因墙体（或竖向构件）严重破坏而失去承载力导致的，如图6.23所示。图6.21墙体底部水平裂缝图6.22墙角破坏U)底层倒塌（1局部倒塌图6.23砌体房屋的倒塌破坏历次地震震害调査表明，砌体房屋具有以下震害特点：①没有经过合理抗震设计的砌体房屋的抗震性能差，但仍具有一定的抗倒塌能力。未经抗震设计的多层砖房，在6度区内主体结构基本完好或轻微破坏.而女儿墙、出屋面小烟囱等破坏严重；在7度区内主体结构轻微破坏，小部分达到中等破坏；8度区内多数结构达到中等破坏；9度区多数结构出现严重破坏；10度及以上地区大多数房屋倒塌。②经过抗震设防或加固的砌体房屋的震害轻于没有经过抗震设计的砌体房屋的震害。经过抗震设计且施工质量得到保证的多层砌体房屋具有较好的抗震能力，其平均震害比未进行抗震设计的砌体房屋的震害减轻1~2个等级，可以达到砌体房屋在8度区内不出现中等以上破坏、在10度区不出现倒塌的设防目标。③砌体房屋的各部位都可能发生震害，但受力复杂和约束减弱处更容易破坏。如房屋两端、转角，楼梯间、外廊、女儿墙及突出的屋顶间等部位的震害一般较重。④结构布置对砌体房屋的震害影响较大。一般横墙承重房屋的震害轻于纵墙承重房屋的震害。地震作用时，通常刚性楼盖房屋的上层破坏轻，下层破坏重；柔性楼盖房屋的上层破坏重，下层破坏轻。预制楼板结构的震害通常重于现浇楼板结构的震害。⑤地基条件不同震害不同。一般而言，坚实地基上的房屋震害轻于软弱地基和非均匀地基上的房屋震害。6-2.2多层砌体房屋的抗震概念设计合理的结构布置、良好的抗震体系和相应的抗震措施是结构抗震性能的重要保证。在罕遇地震下，多层砌体房屋容易发生倒塌，多层砌体房屋的抗倒塌主要通过总体结构布置和细部构造措施来实施。1建筑布置和结构体系要求①纵墙承重的结构布置方案，因横向支承较少，纵墙容易受到弯曲破坏而导致倒塌。因此应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系。②纵横墙均匀对称布置时，可使各墙肢受力基本相同，避免出现薄弱墙肢。因此纵横墙布置宜均匀对称.沿平面内宜对齐，沿竖向应上下连续；纵横向墙体的数量不宜相差过大；同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀。③平面轮廊凹凸尺寸不宜过大，当较大时，房屋转角处应采取加强措施。④当房屋立面高差在6m以上、房屋有错层且楼板高差大于层高的1/4、各部分结构刚度和质量截然不同时，宜设置防震缝，缝两侧均应设置墙体，缝宽应根据烈度和房屋高度确定，可采用70~100mm。⑤楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角处。⑥教学楼、医院等横墙较少、跨度较大的房屋，宜采用现绕钢筋混凝土楼、屋盖。⑦不应在房屋转角处设置转角窗。1整体尺寸限定(1)房屋总高度与层数多层砌体房屋的抗震能力与房屋的总高度直接相关。震害调査资料表明：随层数增多，砌体房尾的破坏稈度也随之加重，倒塌率与房屋的层数近似成正比。因此，对房屋的高度与层数要给予一定的限制。《抗震规范》对砌体房的总高度与层数的限值见表6.13。对医院、教学楼等横墙较少的房屋，总高度应比表6.13的规定相应降低3m,层数应相应减少1层；对各层横墙很少的房屋，还应再减少1层。横墙较少指同一楼层内开间大于4.2m的房间占该层总面积的40%以上的横墙很少指同一楼层内开间不大于4.2m的房间占该层总面积不到20%，且开间大于4.8m的房间占该层总面积的30%以上。采用蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖的砌体房屋，当砌体的抗剪强度仅达到普通黏土砖砌体的70%时，房屋的层数应比普通砖房减少1层，总高度应减少3m。当砌体的抗剪强度达到普通黏土砖砌体的取值时，房屋层数和总高度要求同普通砖房屋。6度7度时，横墙较少的两类多层砌体房屋，当按规定采取加强措施并满足抗震承载力要求时，其高度和层数仍应允许按表6.13规定采用。表6.13房屋的层数和总高度（m)限值房屋类别最小厚度烈度67890.05g0.10g0.15g0.20g0.30g君0.40g高度层数高度层数髙度层数高度层数高度层数高度层数多层砌体房屋普通砖240217217217186155124多孔砖24021721718618615593多孔砖190217186155155124-—小砌块19021721718618615593底部框架-抗震墙砌体房屋普通砖多孔砖240227227196165----多孔砖190227196165134----小砌块190227227196165----注:①房屋的总高度指室外地面到檐□或主要屋面板板顶的高度，半地下室从地下室室内地面算起，全地下室和嵌固条件好的半地下室可从室外地面箅起；带阁楼的坡屋面应算到山尖墙的1/2高度处。②室内外高差大于0.6m时，房屋总高度可比表中数据适当增加，但增加量不应多于1m。③乙类的多层砌体房屋仍按本地区设防烈度査表，但层数应减少1层且总高度应降低3m。不应采用底部框架-抗震墙砌体房屋。④本表小砌块砌体房屋不包括配筋混凝土小型空心砌块砌体房屋。(2)房屋的高宽比当房屋的高宽比大时，地震时易发生整体弯曲破坏。多层砌体房屋不做整体弯曲验算，但为了保证房屋的稳定性，房屋总高度和总宽度的最大比值应满足表6.14的要求。表6.14房屋最大高宽比3局部尺寸限定（1）层高限制普通砖、多孔砖和小砌块砌体承重房屋的层高，不应超过3.6m。当使用功能确有需要时，采用约束硬体等加强措施的普通砖砌体的层高不应超过3.9m。当底层采用约束砌体抗震墙时，底层的层高不应超过4.2m。（2）抗震横墙的间距多层砌体房屋的横向地震力主要由横墙承担，抗震横墙数和间距对多层砌体房屋的抗震性能影响很大。横墙数量多、间距小，结构的空间刚度大，抗震性能好，反之抗震性能差。横墙间距的大小还与楼盖传递水平抗震力的需求相联系，过大时，楼盖刚度可能不足以传递水平地震力到相邻墙体。因此多层砌体房屋的抗震横墙间距不应超过表6.15中的规定值。«6.15多层砌体房屋抗震横墙最大间距单位:m房屋类别烈度79多层砌体现浇和装配整体式钢筋混凝土楼屎盖1515117装配式钢筋混凝土楼屋盖II1194木崖盖994-底部框架-抗庚墙砌体房屋卜.部各S同多S®体房屋-底部或底部两层18|15|II-注:①多层砌体房屋的顶层，除木屋盖外，其最大横墙间距可适当放宽，应采取相应加强措施；②多孔砖抗震横墙厚度为190mm时，最大横墙间距应比表中数值减少3m，(3房屋的局部尺寸为避免出现薄弱部位，以防止因局部破坏发展成为整栋房屋的破坏，多层砌体房屋的局部尺寸应符合表6.16要求。表6.16房屋的局部尺寸限值单位:m部位烈度79承*窗间墙最小宽度1.01.01.21.5承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离1.01.01.21.5非承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离1.01.01.01.0内墙阳角至门窗洞边的最小距离1.01.01.52.0无描固女儿墙(非出人口处）的最大高度0.50.50.50.0注:①局部尺寸不足时，应采取局部加强措*弥补，且S小宽度不宜小T1/4)3高和表列数据的80ft(②出入口处的女儿墙应有锚固。6.2.3多层砌体房屋的抗震计算多层砌体房屋的抗震计算是对墙体抗侧力能力进行验算，具体而言是砌体房屋薄弱层的墙段的抗震验算多层砌体房屋的抗震计算基本步骤包括:地震作用与楼层剪力计算、墙体(或墙段)地震剪力分配、墙体(或墙段)抗震验算。1地震作用与楼层剪力计算(1)计算简图多层砌体房屋地震作用计算时，应以防震缝所划分的结构单元作为计算单元。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包括:楼、屋盖上的重力荷载代表值和上、下各半层墙体(含构造柱）的自重。多层砌体房屋的计算简图如图6.24所示。计算简图中底部固定端的标髙取值：当基础埋置较浅时，取基础顶面；当基础埋置较深时，取室外地坪下0.5m；当有整体刚度很大的全地下室时，取地下室顶板顶面标高；当地下室刚度较小或半地下室时，取地下室室内地坪标髙，且地下室顶板算一层楼面。(b)计算简图（0楼层地震剪力田5.24多层砌体房屋的计算简S(2)楼层水平地震剪力多层确体房屋层数一般不超过7层，且质量与刚度沿高度分布一般比较均匀，在地震作用下的变形以剪切变形为主。在抗震计算时一般只考虑单向水平地震作用，采用底部剪力法进行地震作用计爲。多层砌体房屋纵向或横向承重墙数量较多，房屋的侧向刚度大，其基本周期一般处于设计反应谱的平台段周期范围内，水平地震影响系数取地震影响系数最大值。则多层砌体房屋所受到的总地震作用标准值为：maxEkeqFGa=(6-44)由于多层砌体房屋基本周期短，忽略高振型的影响，则任一质点i的水平地震作用标准值F，为：(6.45)作用于第i层的楼层地震剪力标准值K为〖层以上各层所受到的地震作用标准值之和’即:^=Xf，(6.46)对于突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等，鞭梢效应的影响，其地震作用应乘以地震增大系数3。但增大的2倍不应往下传递，即计算房屋下层层间地震剪力时不考虑上述地震作用增大部分的影响。【例6.1】如图6.25所示4层砖砌体房屋，横墙承重，楼梯间突出屋顶。已知抗震设防【解】（1)结构底部地震剪力标准值设防烈度为8度，则16fEk==0.85x0.16x念G；=2373kN(2)楼层地震作用标准值和地震剪力标准值由式(6.2)和式(6.3)及关于屋顶间的附加规定，计算结果见表6.17。表6.17楼层地震剪力计算楼层/kNH，/m/(kN.m)GAic'H'，/kN/kN屋顶间25016.441000.036666x3=1984330013.4442200.307127783420010.4436800.3070414S2242007.4310800.215011983155004.4242000.163902373S1745014728023732墙体(或墙段)地震剪力分配(1)墙体的侧移刚度当结构仅发生平移而不发生转动时，可将墙体视作下端固定、上端嵌固的构件。将下端固定、上端嵌固的墙体在顶端单位力作用下所产生的侧移称为墙体的侧移柔度，其倒数为侧移刚度，如图6.26所示。墙体在侧向力作用下的变形一般包含弯曲变形与剪切变形两部分，即：剪切变形：s-=i=i(6.47)弯曲变形：Sb=Y1EI式中七/—分别为墙体的水。h、b、t——分别为墙体的髙度、宽度和厚度；E、G一分别为墙体的弹性模量与剪切模量，一般G-0.4E；一截面剪应力不均匀系数，对矩形截面取1.2。墙体在侧向力作用下总变形为：fi=^[(t)3+3(|)](6'49)由式(6.49)可见，墙体在侧向力作用下总变形与墙体的高宽比相关，如图6.27所示。当h/bC时，墙体变形以剪切变形为主；当ft/64时，墙体变形以弯曲变形为主；当Ih/b^4时，墙体变形中弯曲变形和剪切变形均占相当比例。当A/6在1时，仅考虑剪切变形，则墙体的侧移刚度为：El'3(h/b)当1A/6S4时，同时考虑弯曲及剪切变形，则墙体的侧移刚度为：El(6.50