鋼筋混凝土梁柱構(gòu)架含磚墻耐震分析

姚姍姍　李焱

摘要：低層建筑物大多由鋼筋混凝土構(gòu)筑形成抗彎矩構(gòu)架系統(tǒng)，除構(gòu)架的梁柱本身外，其中常以紅磚或RC構(gòu)造加入隔間墻或剪力墻，影響整個(gè)梁柱構(gòu)架系統(tǒng)的行為仍不容忽視；低層建筑的墻構(gòu)造物以紅磚最為普遍，主要原因是其造價(jià)低廉、取材容易，防火、隔熱、隔音效果良好，形狀規(guī)則、容易施工。文章對鋼筋混凝土梁柱含磚墻耐震進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；梁柱構(gòu)架；磚墻耐震；低層建筑物；隔間墻；剪力墻 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU375 文章編號：1009-2374（2016）09-0110-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.09.053

1 建筑物含磚墻研究

在低層建筑物以紅磚構(gòu)筑的磚墻除了有隔間功能外，還具備相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，除可抵抗垂直載重外，亦可抵抗部分的剪力和提供韌性，對于結(jié)構(gòu)耐震能力多少都有些幫助；對于建筑物含磚墻的構(gòu)造尚無規(guī)則可循，唯有一些論文和研究報(bào)告顯示，磚墻的確對于結(jié)構(gòu)耐震能力具有相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

1.1 含磚墻行為分析

一般來說，磚墻結(jié)構(gòu)承受垂直及水平荷重時(shí)，其破壞機(jī)構(gòu)大致可分成拉力分裂破壞與剪力滑動破壞兩種，而磚墻填縫的砂漿較無剛性，因此受垂直壓力時(shí)，砂漿向側(cè)向位移趨向?qū)⒋笥诖u，唯磚與砂漿黏結(jié)成一體時(shí)，界面處磚與砂漿的變形應(yīng)相同，砂漿向側(cè)向位移的趨勢受限于磚，此時(shí)砂漿受雙向壓應(yīng)力，而磚則受雙向拉應(yīng)力，因此產(chǎn)生了拉力分裂破壞。而當(dāng)磚墻承受垂直與水平載重時(shí)，則于接口處將產(chǎn)生垂直應(yīng)力與剪應(yīng)力，因此將引起磚墻的剪力滑動破壞，在破壞的前磚墻的確可承受垂直及水平載重。

1.2 含磚墻鋼筋混凝土構(gòu)架耐震分析

低矮樓層的鋼筋混凝土建筑物，近幾年來所發(fā)生的嚴(yán)重震害顯示其破壞模式都是弱柱強(qiáng)梁，在支撐柱或墻體剪裂破壞，而梁僅輕微受損，并未達(dá)到規(guī)范所要求強(qiáng)柱弱梁的準(zhǔn)則，因此一些耐震評估方法探究建筑物其耐震能力，有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)初步耐震診斷方法其耐震能力初步評估中，與墻有關(guān)的評估項(xiàng)分別有墻量指標(biāo)及磚墻造成短梁嚴(yán)重性兩項(xiàng)，在墻量指標(biāo)中提到建筑物若具剪力墻或構(gòu)架間若填滿非結(jié)構(gòu)RC墻或磚墻，則可承擔(dān)一部分的地震力，則構(gòu)架發(fā)生的一些不良破壞模式對耐震能力的影響就沒有那么大，另外在磚墻造成短柱嚴(yán)重性，提到短柱在地震時(shí)會引致較高的剪力，因此可能會發(fā)生較不具韌性的剪力破壞，降低建筑物的耐震能力。

另外亦有簡易耐震評估方法，采用簡單計(jì)算公式推估建筑物底層的極限強(qiáng)度及其相對應(yīng)的韌性容量，由于一般建物倒塌與否的主要因素，大都決定于一樓支柱及墻是否能抵抗地震時(shí)產(chǎn)生的水平力，所以利用計(jì)算一樓極限層剪力則可略以估算建筑物的耐震能力如何，其簡化計(jì)算方法如下：

計(jì)算單柱降伏所提供的層剪力。因?yàn)橹钠茐目赡転榧羟衅茐?，也有可能是撓曲破壞，因此須先比較單柱的降伏剪力及柱兩端產(chǎn)生塑性鉸時(shí)對應(yīng)力的剪力，來求得柱降伏時(shí)所能提供的剪力強(qiáng)度（VcoL），計(jì)算式可表示為：

VcoL=min（2My/Ln，Vy） （1）

式中：Ln為柱的凈高；Vy=Vc+Vs為柱剪力強(qiáng)度，Vc為混凝土提供剪力強(qiáng)度，Vs為鋼筋所提供的剪力強(qiáng)度；My為柱的降伏彎矩，可另依下式估算：

My=0.85Asfyd+0.5Pd[1-P/（fc′Ag）] （2）

式中：

As——柱斷面拉力鋼筋面積

fy——鋼筋降伏強(qiáng)度

d——考慮剪力方向柱的寬度

Ag——柱斷面總面積

fc′——混凝土軸壓強(qiáng)度

P——靜載重加考慮活載重所造成柱子的軸力

P=0.15fc′Ag

此公式計(jì)算時(shí)假設(shè)柱頂及柱底皆產(chǎn)生塑性的情形，計(jì)算單支柱所提供層剪力，并不考慮與柱連接的梁是否產(chǎn)生降伏情形，此為代表評估公式。

磚墻常作為建筑物隔間墻使用，因此磚墻本身所能提供層剪力Vbw即為磚墻破壞強(qiáng)度，其計(jì)算方法則依據(jù)許茂雄教授等所建議值進(jìn)行計(jì)算。

單一RC墻破壞所提供的層剪力，由于建筑物中也常充填RC墻作為隔間墻使用，其提供層剪力為：

Vsw=0.53+ （3）

式中：

——剪力方向垂直的平面剪力鋼筋比

Acv——平行剪力方向的長度乘以墻原厚度所得混凝土斷面積

因此一樓的極限層剪力評估公式如下：

Vtot=∑Vcol+∑Vbw+∑Vsw （4）

2 磚墻的強(qiáng)度模擬

2.1 磚墻的劈裂強(qiáng)度

由磚礅與磚墻基本力學(xué)試驗(yàn)研究所建議劈裂強(qiáng)度為：

Ft=0.13fm+0.435（ftb+fmb） （5）

式中：

fm——砂漿劈裂強(qiáng)度

ftb——紅磚劈裂強(qiáng)度

fmb——紅磚與砂漿界面劈裂強(qiáng)度

砂漿劈裂強(qiáng)度由試驗(yàn)得，若無則其強(qiáng)度約為單軸抗壓強(qiáng)度的10%，紅磚劈裂強(qiáng)度約為紅磚單軸抗壓強(qiáng)度的22%，磚墻橫縫砂漿厚度介于10～15mm之間，砂漿單軸抗壓強(qiáng)度介于204～306kg/cm2之間，紅磚與砂漿界面劈裂強(qiáng)度=2.04kg/cm2。

2.2 磚墻的有效寬度

當(dāng)磚墻的高寬比大于1時(shí)，磚墻可沿對角線開裂，當(dāng)高寬比小于1時(shí)，在形成裂縫過程中，僅在兩邊受壓產(chǎn)生45°斜向裂縫，其間則由水平滑移裂縫聯(lián)系兩角隅的斜向裂縫，故真正抵抗水平外力的墻體寬度僅有斜向裂縫形成的區(qū)域，因此磚墻有效寬度所示為：

W=min（H，W） （6）

式中：

H——磚墻實(shí)際高度

W——磚墻實(shí)際寬度

2.3 磚墻的水平極限剪力

至于有邊界柱梁的磚墻耐震試驗(yàn)的成果研究所提出磚墻水平極限剪力為：

3 我國規(guī)范磚墻的抗震設(shè)計(jì)

3.1 我國規(guī)范對于磚墻的規(guī)定

我國規(guī)范對于磚墻的規(guī)定如下：（1）考慮黏土磚造填充墻有抗側(cè)力作用時(shí)，磚填充墻應(yīng)崁砌在框架平面內(nèi)，并與梁柱緊密結(jié)合，墻厚不應(yīng)小于240mm，砂漿強(qiáng)度不應(yīng)低于M5（51kg/cm2），且宜先砌墻后再澆置RC框架系統(tǒng)，其他各類砌體填充墻，如混凝土小型空心磚、黏土空心磚宜與框架柱柔性連接，但墻頂應(yīng)與框架梁緊密結(jié)合；（2）砌體填充墻框架應(yīng)沿框架柱高每隔500mm配置2ψ6直徑拉筋，拉筋伸入填充墻內(nèi)長度，一、二級框架宜沿墻全長設(shè)置，三、四級框架不應(yīng)小于墻長的1/5且不應(yīng)小于700mm，所謂一、二、三、四級框架為依抗震等級區(qū)分；（3）框架結(jié)構(gòu)中屬于一、二級框架，當(dāng)采用磚墻時(shí)平面和豎向布置宜對稱均勻。

3.2 結(jié)構(gòu)含磚墻的抗震設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)依抗震計(jì)算所介紹，另外于計(jì)算結(jié)構(gòu)第一自振周期，采用以能量理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：

Gi——第i層重力荷載代表值（kN）

ui——各水平荷載共同作用下，點(diǎn)i的水平位移（m）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，一般取0.5～0.6，對于不超過5層的二級框架結(jié)構(gòu)和不超過8層的三級框架結(jié)構(gòu)及四級框架結(jié)構(gòu)，若使用實(shí)心磚（黏土磚）砌體為填充墻時(shí)，為了能更準(zhǔn)確地反映磚墻在抗震中的作用，則取1進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)構(gòu)含磚墻周期的計(jì)算

為了探討磚墻在鋼筋混凝土構(gòu)架中，于計(jì)算結(jié)構(gòu)周期究竟有何影響及對于建筑物含磚墻以后所計(jì)算地震力的差異性。

4.1 簡例一：三層樓鋼筋混凝土構(gòu)架

本例為一、三層樓鋼筋混凝土梁柱的構(gòu)架，每層樓高為3.4m，建筑物高為10.4m，寬為8m，長24m。一層樓重為2450kN，二、三層樓各重1960kN，結(jié)構(gòu)梁斷面為40cm×60cm，柱斷面為60cm×60cm，計(jì)算結(jié)構(gòu)周期如下：（1）我國規(guī)范計(jì)算周期（不考慮磚墻影響），以能量理論為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，由樓層結(jié)構(gòu)的梁、柱斷面，分別計(jì)算其線剛度，再由梁、柱的線剛度，依照其邊柱、中柱、一般層、首層等不同的區(qū)別，分別計(jì)算結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的影響a，推求該層側(cè)移剛度，再由所求得側(cè)移剛度推求得層間相對位移，取0.55，則可得結(jié)構(gòu)的第一自振周期T1=0.153秒；（2）我國規(guī)范計(jì)算周期（考慮磚墻影響），仍同上計(jì)算步驟并增加磚墻側(cè)移剛度計(jì)算，而磚墻開口情形所示，計(jì)算磚墻側(cè)移剛度參數(shù)，因此由公式可得磚墻側(cè)移剛度。將磚墻側(cè)移剛度并同梁、柱側(cè)移剛度計(jì)算樓層側(cè)移，再將其代入公式，此時(shí)參數(shù)ψ，依規(guī)范規(guī)定取1計(jì)算，則可得結(jié)構(gòu)的第一自振周期T1=0.192秒。

4.2 簡例二：六層樓鋼筋混凝土構(gòu)架

（1）我國規(guī)范計(jì)算周期（不考慮磚墻影響），以能量理論為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，推求各層樓側(cè)移剛度，再由所求得側(cè)移剛度推求得層間相對位移，取0.55，則可得結(jié)構(gòu)的第一自振周期T1=0.298秒；（2）我國規(guī)范計(jì)算周期（考慮磚墻影響）計(jì)算磚墻側(cè)移剛度所示，將磚墻側(cè)移剛度并同梁、柱側(cè)移剛度計(jì)算樓層側(cè)移，再將其代入公式，此時(shí)參數(shù)ψ，依規(guī)范規(guī)定取1計(jì)算，則可得結(jié)構(gòu)的第一自振周期T1=0.369秒。

由此可以看出，磚墻對于結(jié)構(gòu)的影響可由周期看出其變化，很明顯的，一旦建筑物考慮磚墻的影響，雖增加該層樓側(cè)移剛度，減少樓層側(cè)移量，唯因規(guī)范規(guī)定，參數(shù)由原來不考慮情況下取0.55，到考慮磚墻的影響取1的情形下，周期就會因該參數(shù)影響下而提高，這在低層建筑物尚未見其影響性，但在中層建筑物對周期影響情形將因周期的提高，使得設(shè)計(jì)地震力減少。

5 結(jié)語

多層砌體房屋指的是由各種砌體砌筑而成的墻與裝配，砌體包括燒結(jié)黏土磚、粉煤灰硅酸鹽實(shí)心中型砌塊、混凝空心中型砌塊及小型砌塊，此種砌體房屋可以其橫墻承重、縱墻承重或是縱橫混合承重。但是如果從抗震角度來考慮砌體的結(jié)構(gòu)，由于其材料為脆性，因此砌體本身的抗拉、抗剪、抗彎強(qiáng)度都很低，而且因其自重較大，故地震時(shí)因地震作用力也會比較大，所以砌體的房屋抗震能力比較差，也因此特別規(guī)范砌體房屋的抗震能力。

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（責(zé)任編輯：小 燕）