民用建筑工程设计常见问题分析及图示(3)

不同材料组成的整体结构中，内外不同材料和刚度上的差异对抗震不利，需要通过精心设计来保证结构整体安全。

改进措施：《抗震规范》GB 50011第7.1.9、7.2.12条和7.6节对内框架房屋的结构布置、外墙组合柱以及构造的有关规定。

(1)对内框架从结构布置上要加以较严格的限制，如尽量采用矩形平面；均匀地布置抗震横墙；尽量采用各层层高相等，截面变化最小的内、外柱和墙垛；立面布置应规则，上下洞口尽量大小一致并对齐等。

(2)在布置楼梯间时，应尽量布置在中段。如果布置在尽端，则宜另行采取加强措施。在楼梯间的布置上应特别注意，即楼梯间的横墙应沿房屋宽度全长布置，而不允许只有局部横墙布置在楼梯两侧。如图1.2.25所示。

(3)对于内框架结构的横墙布置，作为内框架中的抗震横墙，其间距有明确规定，即6、7、8度时分别为25m、21m和18m。此限值已比89年的抗震规范严格，这是考虑到横墙间的地震作用的传递要靠楼盖的水平刚度。而内框架结构房屋一般用作轻工业、电子、印染等厂房，有的难免要开有洞口等要求。因此横墙限值从严掌握。

(4)内框架结构中的内部框架梁板柱的设计，可以按一般框架结构设计，不论是现浇钢筋混凝土还是装配式钢筋混凝土结构都一样。对其抗震等级6、7、8度时分别取四级、三级和二级。 (5)内框架结构设计中的外砌体墙的设计也是重要一环。宏观地震调查证明，内框架结构的破坏，一般首先从抗震墙开始，也即作为结构的第一道防线首当其冲。然后不是内框架而是外砌体墙破坏。由于内框架中的内柱截面较小，它所承担的地震剪力也较小，所以先破坏的是外墙砌体墙垛。基于这种考虑，我们对于外砌体墙垛，要求有一定的宽度，此宽度要求应严于多层砌体房屋的局部尺寸要求。当然具体还要视内框架房屋的开间大小确定。对于外墙砌体墙垛,一般规定了最小构造柱截面尺寸为240X 240mm，竖筋不小于4?14，箍筋间距不大于200mm。但对于7度横墙间距大于18m，8度横墙间距大于15m的外纵墙窗间墙，应做成组合柱。即在墙垛中设置加大截面的构造柱或按《砌体规范》GB 50007第8.2节的组合砖砌体。内框架结构的框架梁支承在外纵墙上时，若墙体过薄、梁端支承长度不够，将会影响力的传递和结构安全，因此梁在外纵墙上的最小支承长度为300mm。当墙厚不足时，应在墙厚方向出垛，保证其最小支承长度。 (6)对于内框架结构的外墙还应注意：内框架梁支于外纵墙垛，一般虽按简支考虑，但工程实际受力状态，由于有上层荷载对其的约束，所以实际会产生相当大的嵌固弯矩。对此，对外纵墙垛是很不利的，必须予以考虑。由于计算上一般忽略此点，所以必须在构造上加以保证，以避免在此部位发生破坏。

1.2.26 门厅采用梁柱结构以形成局部大空间的多层砌体结构，仍按内框架结构对待。 原因分析：多层砌体结构房屋，原则上不能在内部设局部内框架结构，主要是由于结构动力特性的不同，不同结构处于同一结构单元内的变形、刚度都不一致，而且在地震时各部分将会“各行其是”，造成连接部位的破坏。不过，在多层砌体房屋中，为了要取得较大的空间仅在门厅部分设置一、二层的梁柱结构，可以不认为是“内框架”。因为此时主要的承重结构仍然是多层砌体，纵、横墙起主要抗侧力作用，而门厅局部的梁和柱只在承担垂直荷载时起作用。

改进措施：这样的结构布置，在构造上应予以重视，尽量不要使梁柱结构部分承载的面积太大，并应加强门厅侧边墙体妁布置。

1.3 结构分析与计算

1.3.1 多层砌体结构房屋在抗震验算和分析时，未考虑其特点和要求，进行墙体截面的抗剪强度验算。

改进措施：归纳起来主要有下列四点：

1、多层砌体房屋建筑高度一般均在25m以下，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度方向分布均比较均匀，因此在抗震计算时可以采用简化的基底剪力法；

2、多层砌体结构是一种刚度比较大的的刚性建筑，其结构的基本周期一般均在0.3s以内。在地震影响系数曲线图上都处于平台上，水平地震影响系数α值均可取最大值αMAX；

3、一般情况下6度时均不进行截面抗震验算，对天然地基及基础上的多层砌体结构也不必进行抗震承载力验算；

4、多层砌体结构只考虑水平地震作用而不考虑竖向地震作用。同时，多层砌体结构也不进行多遇地震下的抗震变形验算，因为砌体的刚性大而变形能力很小，一般砌体墙在水平侧移达到1/4000时就将出现初裂，所以主要控制强度而不进行变形验算。至于大震时的破坏均由抗震构造措施来解决，如设置构造柱、圈梁等。

由于以上的特点，对多层砌体结构而言，主要进行墙体截面的抗震抗剪强度验算即可。

1.3.2 地震作用计算时，未正确选择不利墙段。

原因分析：一般来说，地震作用的不利墙段与静力作用不利墙段是不会一致的。因为在地震作用下主要是验算墙体在水平力作用下的承载能力，即抗剪能力。而静力作用主要是验算墙体在垂直荷载下的承载能力。

受水平力最大的墙段不一定就是受竖向力最大的墙段。

改进措施：《抗震规范》GB 50011第7.2.2条对砌体房屋可只选择从属面积较大或竖向应力较小的墙段进行截面抗震承载力验算。 1、从属面积较大的墙段。

所谓从属面积，是某墙段在地震作用时所分担到的地震荷载面积。它与静力作用下的分担面积不同，如图1.3.2(a)所示。②轴⑥⑨墙段的从属面积为阴影所示。但是，同样墙段的静力作用下的荷载面积(现浇楼板)，却是墙体两边的三角形荷载之和，如图1.3.2(b)所示。在水平地震作用下，当某墙段所承担的从属面积较大时，则说明该墙段所承受地震水平剪力较大，因此，最容易遭到地震破坏。

2、竖向应力较小的墙段。

竖向应力较小，也就是承担的垂直荷载较小的墙段。成为地震作用的不利墙段的原因，是由于一定的垂直荷载作用对砌体的抗剪强度是有利因素，轴压力越大，相对抗剪强度亦越高。所以，对一些竖向荷载较小的墙段应当进行抗震抗剪强度的验算。

从各类砌体的抗震抗剪强度验算的公式中也可以清晰看出：砌体的抗震抗剪强度与砌体的正应力影响系数有直接的关联。多层砌体强度的正应力影响系数分为一般砖砌体和混凝土小型空心砌块两种。对砖砌体而言，抗震规范沿用了89年规范的方法，即在震害统计基础上用主拉应力公式得到正应力影响系数。而对混凝土小型空心砌块砌体，因为震害资料太少，主要以试验资料为依据，正应力影响系数由剪摩公式确定。

1.3.3 底部框架-抗震墙房屋在地震作用计算中，底部纵横墙的地震剪力已乘以放大系数，但没有考虑底部剪力墙仍要承担全部地震剪力。

原因分析：底部框架-抗震墙房屋在地震区的破坏十分严重，简化了的基底剪力法可能不足以使这类结构在地震中免于破坏，应当采用更为准确的分析方法进行地震作用下的计算分析。为简化设计计算，因此规范采取了双重加强的方法，调整其地震作用效应以保证地震时该类结构足够安全。

改进措施：应按《抗震规范》GB 50011第7.2.4条规定对底部框架-抗震墙房屋的地震作用效应进行调整：

(1)对于底层框架-抗震墙房屋，底层的纵横向地震剪力设计值需要乘以增大系数，一是为了增强这类结构在底层的安全储备；同时，也是为了弥补上下层刚度上的明显差异。因此，在选用不同大小的增大系数时，主要也是考虑层刚度比值上大下小的不同。例如上下层侧向刚度相差越大，则应选用较大的增大系数，如1.5。相反，如上下层侧向刚度比差异较小，则可选用1.2。 (2)对于底部两层框架的抗震墙结构，应注意，对底部一、二层的框架-抗震墙的纵横向地震剪力设计值均要乘以相同的增大系数。这是对该类结构不利于抗震的一种弥补。更重要的是要使底部抗震墙起到结构抗震的第一道防线的作用。

(3)底层或底部两层的纵向和横向地震剪力设计值尚应全部由该方向的抗震墙承担，并按各抗震墙侧向刚度比例分配。

1.3.4 底部框架-抗震墙房屋采用混凝土小型空心砌块作抗震墙时，其有效刚度的折减系数不能按混凝土墙取。

改进措施：对底部框架-抗震墙中的墙，当设防烈度为6、7度区，且总层数不超过五层的底层框架-抗震墙结构，允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙。

在计算底部框架柱的地震剪力和轴向力时，框架柱承担的地震剪力设计值，应按底部各抗侧力构件的有效刚度比分配确定。此时，对各抗侧力构件的刚度计算，需要作适当调整。对于框架本身不作折减，因为它在地震作用时的侧向刚度本来就不大，所承担的作用亦很小，而且一般不会先于墙体破坏。

对于抗震墙按《抗震规范》GB 50011第7.2.5条规定，墙的刚度应折减。钢筋混凝土墙的刚度最大，因此相对折减较少；而砖墙相对略小，折减较大。规范规定了混凝土墙可折减0.3；砖墙可折减0.2。当采用混凝土小型空心砌块墙时，折减系数取值《抗震规范》与《小砌块规程》JGJ/T14均末明确。按照一般的规律是：混凝土小砌块砌体指仅有构造要求的钢筋配置，属于普通的砌体墙，砌体的刚度是弹性模量的函数，根据《砌体规范》GB 50003第3.2.5条的规定，混凝土小砌块砌体的弹性模量接近烧结砖砌体的弹性模量(大6％左右)，故混凝土小砌块砌体的刚度折减系数，可以按砖砌体的折减系数取0.2，若为配筋砌块砌体，根据《砌体规范》第9.2.1、9.2.4条规定，配筋砌块砌体的力学性能与钢筋混凝土的性能非常接近，可以按0.3的折减系数取用。

1.3.5 底部框架-抗震墙房屋中的托墙梁未考虑上部墙体开裂的不利影响。

改进措施：根据《砌体规范》GB 50003第2.1.16条墙梁的定义是：“由钢筋混凝土托梁和梁上计算高度范围内的砌体墙组成的组合构件。包括简支墙梁、连续墙梁和框支墙梁。”

而《抗震规范》GB 50011第7.2.5条第2款对托墙梁并未作专门解释，但从字面上可以理解为承托上部砌体墙的梁。在此并未明确是否必须考虑梁与上部墙体的组合作用，按组合构件进行设计。《抗震规范》第7.2.5条规定，托梁墙计算地震组合内力时，应采用合适的计算简图。若考虑上部墙体与托墙梁的组合作用，应计入地震时墙体开裂对组合作用的不利影响。因此，不能采用非抗震的计算方法进行计算。

《抗震规范》第7.2.5条的条文说明中指出：大震时墙体严重开裂，托墙梁与非抗震的墙梁受力状态有所差异，当按静力方法考虑有框架柱落地的托梁与上部墙组合作用时，若计算系数不变会导致不安全，应调整其计算参数。在托墙梁上部各层墙体不开洞和跨中1/3范围内开一个洞的情况下，也可采用折减荷载的方法：托墙梁弯矩计算时，四层以下全部计入，四层以上可有所折减，取不小于四层的数值计入组合；托墙梁剪力计算时，由重力荷载产生的剪力不折减。亦可参考《建筑抗震设计手册》(2002年第二版)第793页提供的托墙梁的设计方法。

1.3.6 忽略内框架结构必须考虑顶部的附加地震作用。

原因分析：多层内框架结构相对于其它多层砌体结构的刚度小，比较空旷，地震时的变形亦会较

大。从许多内框架结构震害的调查证明：一般内框架结构的破坏均首先发生在顶部数层，而不象其他多层砌体结构的震害首先发生在底层。主要与此类结构的动力特性有关。内框架结构的内部横墙较少，而且又是梁板柱框架承重，只有外纵墙或部分横墙是多层砌体墙。而外纵墙上又有较多的门窗洞口，对外墙削弱较多。因此形成比较大的空间后它的柔度相对较大，地震作用时结构上部的变形较大，因而造成顶部结构先破坏。

改进措施：为了在计算地震作用时反映这一特点，也为了弥补按倒三角形分布地震作用的一般规律对内框架不完全适用，规范规定水平地震作用标准值计算时，增加一项顶部附加地震作用系数δn，其值取结构总水平地震作用标准值的20%。这样就能与实际的震害相符。如图1.3.6所示：

1.3.7 多层砌体房屋结构抗震抗剪强度验算时，当某层或某些墙段不能满足截面强度要求时，未采取有效措施加强。

改进措施：多层砌体房屋中的部分墙段抗震抗剪强度不能满足要求时，一般可以有五种办法来加强：

(1)增加墙厚。抗震抗剪强度与截面大小有关，增加墙厚可以提高抗剪能力，同时，外墙可以提高保温隔热效果，有利于节能。不利的是增加墙厚会增大结构自重，加大了地震作用，同时材料上当然也会增加。所以不是一种最好的办法，只在某些情况下能适用。

(2)提高砌体强度。砖和砂浆强度的提高，直接会增大截面抗震抗剪能力。但是，目前砌体规范中对砂浆强度只给出M10砂浆时的抗剪强度设计值，而且明确大于M10的砂浆强度也只取到M10砂浆时的强度。在目前一些砖或混凝土砌块的强度有明显提高的情况下，完全有条件采用与之配套的高标号砂浆，提高砌体的抗震抗剪强度，满足截面的强度验算要求。但目前因无这方面的数据，规范又无规定，所以只有进行相关的试验来求得数据，用于强度验算。 (3)配置水平钢筋。这也是《抗震规范》GB 50011第7.2.9条提出的一项措施。

在砌体水平灰缝中配置一定数量的钢筋，可以提高砌体墙段的抗剪能力，这是在大量试验研究基础上提出的办法。

规范规定，灰缝中的配筋率应不小于0.07%且不大于0.17%。试验证明，当水平配筋的数量小于截面配筋率的 0.07%时，此时虽有水平筋，但对提高抗剪能力并不明显，因此不能考虑其作用。同时，试验也证明，当在水平灰缝中配置的钢筋过多(过密或过粗)，其间的水平钢筋也不能完全发挥提高抗剪能力的作用。因此由试验确定的配筋率上限值为0.17%。

《抗震规范》第7.2.9条的说明还指出，采用水平配筋措施时，抗震能力的大小与墙体的高宽比有关，这也是使水平钢筋能够发挥作用大小的重要因素。

(4)增加设置构造柱或芯柱。在墙段两端设置构造柱是一种抗御地震时突然倒塌的有效措施。一般的构造柱都设置在墙段的边端或墙体和墙体的交接处，它与为了提高抗震抗剪能力而在墙段中部设构造柱的要求和目的不同。

《抗震规范》第7.2.8条第2款就是为了解决在验算截面抗震受剪能力时不能满足承载力要求，作为一项新措施而提出的。

《抗震规范》公式7.2.8-2中：V≤1/γRE[εcfVE(A-Ac)＋δf1Ac＋0.08fyAs

第一项为砌体截面本身能够承担的受剪承载力；第二项为构造柱的混凝土部分承担的受剪承载力；第三项为构造柱内的钢筋所能承担的受剪承载力。

这是一个主要以试验数据为主得到的经验公式。试验证明，在一个墙段中，构造柱包括钢筋和混凝土所能承担的受剪能力应有所限制。

规范对墙段中部设置的构造柱在纵横墙截面中所占的比例作出了限制，同时对中部构造柱中的钢筋也作了限制，主要是为了既保持多层砌体墙的特性，同时又解决墙段受剪承载力的不足。 (5)采用配筋混凝土小型空心砌体。只能用于混凝土小型空心砌块建筑中，不能在砖砌体房屋中

出现局部的配筋混凝土小型空心砌块墙段。

当在多层混凝土小型空心砌块建筑中出现整层或某些墙段的受剪承载能力不足时，首先应采取增加构造柱和芯柱数量等措施，在不足以解决其承载力时，可采用在混凝土小型空心砌块墙段中，按配筋砌块的要求增加竖向和水平配筋等措施，来提高整层或某些墙段的受剪承载能力。

1.3.8 砖墙中的水平配筋在墙体两端没有锚固。

原因分析：水平配筋在提高墙段的抗剪承载力时，通过砌筑砂浆与砖及钢筋的握裹力，对墙段起抗剪作用。钢筋在墙段中抗剪作用的发挥，由钢筋在墙的两尽端的锚固措施保证。根据试验数据，钢筋端部有无锚固对抗剪承载力的影响约占总的承载力提高值的13%左右。因此，要求水平钢筋配置后宜有锚固措施。

改进措施：当墙段两端有构造柱时，应将水平钢筋锚入柱内，按受拉筋的锚固长度设置；当墙段两端无构造柱或仅有一端有构造柱时，可采用将无构造柱端的水平筋弯折成直勾等措施。

1.4 多层砖房的抗震构造措施

1.4.1 在多层砌体房屋设计中，因不甚了解构造柱的破坏机理，忽视构造柱作为主要的抗震构造措施的作用，未按规范要求设置构造柱。

原因分析：多层砌体房屋在历次地震中破坏都是最严重的。1976年唐山地震之前，始终没有切实可行的办法防止多层砌体房屋在地震中突然倒塌。

唐山地震时全城几乎所有的多层砌体房屋都严重破坏和倒塌，造成生命和财产的巨大损失。但是，在调查过程中，也偶尔发现有的砌体房屋虽然有局部破坏，但却未倒塌。这样的建筑共有八幢，包括学校，办公楼，招待所，藏书库等。这些房屋虽为砖墙承重，但在墙体中均设有不同大小截面且与周边的墙体结合得非常好的钢筋混凝土柱。

在结束调查之后的一年内北京市建筑设计研究院进行了三幢不同构造的整体房屋模型试验，模型比例按1/4，利用激振设备模拟地震作用。三幢模型的设计是：一幢为普通的砖砌体结构，除了有圈梁之外，没有其他措施；第二幢是在所有内外墙交接处均设置一个与墙同厚的钢筋混凝土柱，同时还设有圈梁；第三幢是在所有砖砌体墙的外侧，后加钢筋混凝土柱，部位均在外墙转角及内外墙延伸的交接处，表示对砖房的加固。

我们试验的结果得出如下结论：①设有钢筋混凝土柱的多层砌体房屋，在墙体开裂后没有进一步倒塌破坏。即使在外柱钢筋屈服的情况下仍能保持裂而不倒；②由于柱的截面较小，对房屋和墙体的刚度并不增加，其初裂荷载也无明显的提高；③整体结构的变形能力和延性有很明显的增大。 在试验结果的基础上，向抗震规范编制组提出建议：在所有多层砌体房屋中设置钢筋混凝土柱，并取名为“构造柱”。此后许多单位的试验也都进一步证明了上述结果，使构造柱做法得到广泛推广应用。

改进措施：多年来的实践证明，构造柱是一种良好的抗震构造措施，能够使多层砌体房屋减轻和避免突然倒塌的危险，是保证多层砌体房屋大震不倒的重要措施，应该明确，构造柱不是一般意义上的柱而是墙体的约束构件。

构造柱的作用主要是约束一旦在地震中开裂破坏了的墙体，使之不进一步倒塌。从这一点出发，我们能够更好地来理解和运用构造柱而不致出现误导。构造柱虽不能阻止墙体出现的一般裂缝的发展，但是在墙体沿对角线的剪切裂缝较大并贯通整个墙面，使墙体分为四大块后，构造柱能够约束墙体的进一步倒塌。

1.4.2 多层砌体房屋超过规范规定的层数和高度，误用增加构造柱来解决。

原因分析：设置构造柱的目的是约束墙体，既不是增强抗剪能力，也不是为了解决超高和超层的问题。

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