多层砌体结构房屋震害调查

摘 要:赴5.12汶川地震灾区,分别对绵竹、汉旺、都江堰、汶川、映秀等地进行了实地调查,全面了解多层砌体结构的震害现象,并针对多层砌体结构在水平地震作用下窗下墙的交叉裂缝提出新的研究方法。

关键词:交叉裂缝;窗下墙;力学分析;延性破坏模式

中图分类号:X9

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)12-0333-01

1 房屋概况

此次调查以建筑层数3至6层的多层砌体结构为主,墙体材料包括空心粘土砖、实心粘土砖及混凝土空心砌块,墙厚240m/m。墙体承重体系有:纵墙承重、横墙承重、纵横墙承重,以预应力空心板装配式钢筋混凝土楼(屋)盖为主,并设有混凝土圈梁及构造柱。

2 震级及烈度

绵竹及调查的其他四个地区建筑物抗震设防的基本烈度为7度,而本次汶川大地震的震级达到8级,估计这五个地区的地震烈度为8-11度,远大于7度。

3 多层砌体结构房屋交叉裂缝

墙体上的斜裂缝主要是由于水平地震作用下,在与水平地震作用走向大体一致的墙体引起的主拉应力超过墙体的抗拉强度所致。当地震反复作用时,即形成交叉斜裂缝。这是比较常见的震害现象,几乎在所有的受损房屋上都能发现。

图1 墙体交叉裂缝逐层减

图2 窗洞周围墙体交叉裂缝

从裂缝出现的数量看,多以交叉主裂缝居多,很少出现数量多的密集平行裂缝情况,墙体表现出脆性特征。

由于底层地震剪力比上层大,所以底层的这种裂缝较上层严重。沿结构的高度方向,受损一般呈现下层重、向上逐渐减轻的特点。图1为汉旺客运站职工宿舍楼,第一、二层横墙、纵墙出现较大的交叉裂缝,随着层数的增加,墙上的裂缝逐层减轻,一些墙体出现了单向斜裂缝,再轻损伤楼层在洞口角部出现短裂缝。

贯穿的交叉裂缝则在纵墙上也是普遍存在。由于门窗洞口对连续性的墙体有一定的削弱作用,所以这些裂缝多集中在洞口周围的窗间墙和窗下墙附近。图2为映秀镇漩口中学教学楼外纵墙窗洞周围墙体破交叉裂缝。

多层砖混房屋的纵墙开洞率偏大,窗间墙宽度偏小,水平地震作用沿房屋纵向的结果常导致纵墙薄弱部分――窗间墙的开裂。窗间墙的破坏情况有:很窄的窗间墙为弯曲型破坏,窗间墙的上下端,轻者出现水平裂缝,重者四角压碎崩落,如图3;稍宽的窗间墙,轻者出现交叉斜缝,裂缝的坡度较陡,重者裂缝的两侧的砖砌体碎裂甚至崩落,竖向荷载很大时,甚至压溃,如图4;宽窗间墙一般只出现斜率较小的交叉斜缝,严重的,裂缝很宽,裂缝附近砌体破碎,除烈度很高时外,很少见砌块崩落或者压塌,如图5。调查中还发现,同一片墙上各个窗间墙宽窄不一时,就会出现应力不均,总的抗剪强度降低。地震作用在各个窗间墙间按照它们的侧移刚度大小分配的,宽窗间墙,在考虑弯曲、剪切变形后,其侧移刚度比窄窗间墙大得多,承受了更多的地震作用而首先出现交叉裂缝,刚度、强度随之降低。地面运动继续,其他窗间墙就要额外承担宽窗间墙因刚度降低而转移来的地震作用,接着出现破坏,从而造成窗间墙各个击破。

图3 窄窗间墙破坏

图4 稍宽窗间墙破坏

汶川地震震害现象中出现窗下墙的破坏现象也很常见。震区内一些采用混凝土预制板的多层房屋,窗间墙未破坏,而窗洞上下的窗下墙发生了交叉裂缝,图6所示为汉旺镇某沿街建筑窗下墙破坏。特别是当这些房屋未设置钢筋混凝土圈梁时,或者因放置暖气片而将窗下墙减薄时,窗下墙的交叉裂缝现象更为普遍。主要原因是这些房屋的楼盖沿房屋纵向的竖向刚度小,一片窗下墙加上楼盖后的竖向总弯剪刚度还小于窗间墙的层弯剪刚度。整片外墙如同强柱若梁型框架,各层窗间墙连成的一根竖向构件,在水平荷载作用下,发生整体弯剪变形,使相邻窗间墙产生竖向错动,窗下墙因发生很大弯剪变形而出现交叉裂缝。

图5 宽窗间墙破坏

图6 窗下墙破坏

作者简介:

白鹤田,男,河南鹤壁人,助理工程师,2001年毕业于焦作矿业学院,研究方向:机电工程管理;

刘保国,男,河南鹤壁人,助理工程师,1993年毕业于焦作矿业学院,研究方向:机电工程管理;

李金洲,男,河南鹤壁人,助理工程师,2008年毕业于河南理工大学,研究方向:机电工程管理。

苏万雨,男,河南鹤壁人,2009年毕业于河南理工大学,研究方向:机电工程管理。

4 对规范中多层砌体结构设计方法的总结与评价

4.1 总结

我国现行建筑抗震设计规范中对多层砌体结构在水平地震作用下的受力分析涉及到抗震抗剪计算。

在受力分析中,多层砌体结构一般被简化为由竖向构件墙段和刚性楼盖组成的结构体系,在水平地震作用下,结构破坏的部位应出现在竖向构件上,即窗间墙上。

规范对多层砌体结构房屋总高度、层数、层高和高宽比进行限制以考虑整体弯曲影响,除此之外的结构设计计算公式及抗震构造措施中并不考虑弯曲影响。

4.2 评价

汶川地震以及国内的试验和理论分析表明,多层砌体结构在水平地震作用下有明显的弯曲变形,我们仍将单层墙体研究成果用于多层墙片计算,对砌体结构在总高度、总层数、高宽比进行限制以及构造等方面采取措施,并按剪切破坏的简化公式进行分析和抗震构造是非常危险的。

震害现象表明,许多多层砌体房屋的破坏部位并不是在窗间墙上,而是在窗下墙上。规范在水平地震作用下砌体抗震性能验算时,假定楼板在平面内刚度无限大,各墙肢位移均相等,由于窗间墙截面小,认为破坏就发生在窗间墙处。而窗间墙截面与楼板有一定距离且楼板不是刚度无限大,当弯曲变形产生窗下墙受剪承载力低于窗间墙按规范假定各墙刚度分配地震作用时,发生窗下墙剪切破坏。出现规范默认的窗间墙破坏模式与震害的窗下墙破坏现象不符。

这种窗下墙的破坏现象相对于窗间墙的破坏现象具有诸多优点,例如窗下墙非竖向连续墙体且承受竖向荷载小,破坏后易于修复;窗下墙在水平地震作用下破坏时,伴随着地震能量的耗散,内力重分布后,由窗间墙连同窗间墙上下的墙体共同抗震;窗下墙破坏解体后,不至于结构的瞬时坍塌,使结构呈现出更多的延性性质,是一种延性破坏模式。

5 有待进一步研究的问题

针对汶川地震中多层砌体结构房屋出现窗下墙交叉裂缝的破坏现象,考虑砌体结构弯曲变形的影响,类比高层建筑结构设计的原理及方法,通过建立计算模型,进行砌体结构房屋在水平地震作用下的受力分析及内力计算,提出多层砌体结构房屋发生延性破坏模式的条件,供工程设计使用。

参考文献

[1]汶川地震建筑震害调查与灾后重建分析报告[R].2008,(8).

[2]国家标准.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.