多层房屋中砌体墙与混凝土墙的共同工作问题探讨.pdf

第 3 7 卷 第 1 1 期 建 筑结 构 2 0 0 7年 1 1 月 多层房屋 中砌体墙与混凝土墙 的共 同工作问题探讨 黄际沈 ( 中国建筑标准设计研究院 北京 1 0 0 0 4 4 ) 提要 近年来 ， 大开间居住房屋逐渐增多， 在高烈度地震条件下 ， 多层砌体房屋中墙体抗震能力可能不足 ， 常 出现在纵 向墙 体上 。为解 决这 一问 题 ， 设 计 中 曾 出现一 些 处 理方 案 ， 其 中之 一是 将 部 分纵 向墙 体用 混 凝 土 墙替换 ， 方 案有 一定 合理性 。对 砌体墙 与混 凝 土墙 的共 同工 作 问题 作 了进 一 步 探 讨 ， 认 为 两种 墙 体协 调 工 作 时 ， 以砌 体墙 为主导 是合 理和 可行 的 ， 同时提 出具 体 的设计 方案 。希望 有益 于多层 砌体 房屋设 计 的改进 。 关键词 砌体墙 混凝土 墙 共 同工作 砖混 结构 Di s c u s s i o n o n Co r p o r a t e Wo r k o f M a s o n r y - wa l l a n d C o n c r e t e - wall i n Mu l t i - s t o ry Bu i i d i n g s Hu a n g J i g u a n g( C h i n a I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S t a n d a r d De s i g n Re s e a r c h，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4，C h i n a ) Ab s t r ac t ： I n r e c e n t y e a r s，t he l a r g e r o o m s p a c e r e s i d e n t i a l b ui l d i ng s e x t e n d g r a d u a l l y I n h i g h s e i mi c r e g i o n，t h e s e i mi c r e s i s t a nc e c a p a c i t y o f mu l t i s t o r y ma s o n ry b ui l di n g s，e s p e c i a l l y a t t h e l o n g i t u d i n al wa l l ，ma y b e u ns a t i s f a c t o ry S o me r e s o l v i n g me t h o d s a l e p r e s e n t e d i n d e s i g n f i e l d ，o n e of wh i c h i s s h i ft i n g p a r t i al ma s o n ry wall b y c o n c r e t e w a l l a t l o n g i t u d i n al w a l 1 T h e c o r p o r a t e wo r k of ma s o n ry w all a n d c o n c r e t e w a l l i s d i s c u s s e d，a n d i t i s p o i n t e d o u t t h a t r e g a r d i n g t h e ma i n p l a c e t o ma s o n ry w a l l a s t h e c o rpo r a t e w o rk of t wo w a l l s y s t e m i s r e a s o n a b l e a n d f e a s i b l e Me a n w h i l e，p r a c t i c e d e s i gn me t h o d s a l e p r o v i d e dI t c a n b e r e f e r e nc e f o r t h e d e s i gn of mul t i s t o ry ma s o n ry b ui l d i ng s Ke y wor ds： ma s o nry wa l l ；c o n c r e t e wall ；c o rpo r a t e wo rk ；ma s o n ry s t r u c t u r e；b r i c k a n d c o nc r e t e c o mp o s i t e s t r u c t ur e 1 问题 的 提 出 大开 间居住 房屋 的逐渐 增多 ， 使 得墙 体平 面 面积 与房屋建筑 面积之 比下降 到 5 5 甚 至更低 。在 8度 抗震设 防时 ， 纯砌 体墙 的多 层房屋 结构 有可 能表现 出 抗力不足 。在 出现 大 开间 和高 地 震设 防烈 度 的情 况 下 ， 若 用 常规 厚 2 4 0 mm 的 K P 1砖 墙 ( 或 1 9 0 m m砌 块 墙 ) ， 有可能表 现为抗 力不 足 ， 需要 予 以加强 。在房 屋 开 间、 进深尺寸较大 的情况下 ， 如果配置 较多的芯 柱或 构造柱 ， 会 出现下列 的状况 ： ( 1 )外墙 窗 问墙 段 长 度 较小 ， 有 些 尺 寸 为 6 0 0 9 0 0 m m ， 在强震作用下 ， 一般在其 中配置 1 2 个芯柱或 构造柱 ， 这对墙体施工很不方便 ， 由于先砌墙 体尺寸 太 小( 仅 3 7 04 9 0 m m多孔砖墙 ， 或 3 9 05 9 0 m m砌块墙 ) ， 施工时墙体稳定性较差 ， 墙体质量也较难保证 ， 实际上 常将 6 0 0 9 0 0 m m的墙段做成混凝 土墙 体。 ( 2 )很多 工程 的纵 向抗 震能 力 往往 不足 ， 而在 纵 墙内需配置较 多的 芯柱或 构造 柱 ， 在一 些尺 寸不 太长 的墙段上( 如长度 23 m) ， 构造柱 的净 距可能 为 3 6 0 4 8 0 mm， 使其形成密构 造柱 ( 或密集小 柱 ) 的墙 段 ， 这 样 的墙段更接 近于混凝 土墙段 ， 其 承载力更强 ， 不 应按砌 体墙来考 虑。 ( 3 )现今 的住宅 楼在墙 体 内配 置有较 多的 电气管 线和电表箱 ， 这对 于砌块 墙体与 K P 1 砖墙都很 不方便 ， 一 般 墙 体 内需 设 置 的 管 线 多 达 67根 ， 管 径 6 0 7 0 mm， 厚 2 4 0 mm的 K P 1砖墙 内集 中设置这 么 多管线 ， 必然有损墙体 的强度 。实 际工 程 中， 将 楼梯 间 的内纵 墙或附近墙体均设 置 为混凝 土墙 ， 这 在构造 上更 为合 理 ， 计算上也可以弥补地 震抗力的不足 ， 具体计 算时应 考虑该墙体 中配电箱空洞对墙体刚度的影响 。 2 两类墙体共 同工作协调 关系 2 1以混凝土墙体 为主导 设定在多层 房屋楼梯问四周应布置横 向和 纵向混 凝土墙体 承受 5 0 以上的楼层 地震 剪力 ， 在 较强烈 的 地震 作用 下 ， 房屋 主体 结构 ( 混凝 土墙体 ) 仍 能保持 较 好 的承载能力 ， 而 不致受 到 明显的损 伤 。但 是砌体 墙 的抗震 承载能力偏 弱 ， 会 使墙体 较早 出现裂缝 ， 这是值 得 注意的 ， 这一方案 曾纳 入国家标 准图集 9 7 G 3 2 9中。 2 、 2以砌体墙为主导 认定砌体墙按计算确 定 ， 在抗震设 防时 ， 应按规范 要求配置构造柱 ( 或芯 柱) ， 在 必要 时可配 置混凝 土墙 体 ， 或设置其他加强措施 。当配置混凝 土墙 体时 ， 墙体 剪力按墙段刚度 进行分 配 ， 一 般混凝 土墙 与砌 体墙的 刚度 比为 38 ， 实 际设计 中建议取较低值 ， 其特征是保 持砌体墙能承担较 大 的剪 力 ( 一般 控制 到砌 体墙 承担 的剪力大 于房屋楼 层地震 剪力 的 7 5 一8 0 ) ， 即 ： 砌 体墙在构造柱( 或 芯柱 ) 共 同作 用下 ， 有较好 的抗 震承 l 0 7 维普资讯 载能力 ， 混凝 土墙体分担 了一部分楼层剪力 ， 起 到 了降 低砌体墙抗震 剪力 的作 用 ， 在强 震作用 下能 有效地 控 制墙 体的变形和裂缝开展 。 3 两种墙体 共同工作的协调过程 3 1墙体变形协 调特征 多层房屋中 由于楼板 的刚性 ， 各墙 肢 的变形 是协 调一致的 ， 多层砌体墙房屋 变形值很小 ， 在抗震 设防烈 度为 8度时 ， 多遇地 震作用 下其层 间相对 位移 一般 小 于1 5 0 0 0 1 8 0 0 0 ， 甚至更小 ， 墙体变形 体现为剪 切变 形模 式。带 芯柱 的砌块 ( 或带构造柱的粘土砖 ) 的荷载 变形曲线 如图 1 所示 ， 砌体墙 在开裂 ( A 为初裂 点) 以 前 呈弹性 变形 ， 随后 芯柱 间砌 体 的裂 缝 逐 渐 增 多 和扩 大 ， 此 时 ， 墙 体 已 进 入弹塑性阶段 ， 到达 点 时芯柱 开始 出现裂 缝 ， 随 着芯 柱 裂 逢 不 断 扩 大 和 增多 ， 墙 体逐 渐 进入 塑性 阶段 ， 变 形 发 展 加 快 ， 直 至 加 载 下 降 5 1 0 图 1 砌体和混凝 土墙 变形协调关 系 ( 即点 ) ， 表 明墙体 已丧失承 载能力。图 1中还表示 出了混凝土墙体的荷载 变形 曲线 ， 以及 以混凝 土墙 为 主导和 以砌体墙为主导的变形 协调曲线 的变形特征 。 3 2我国对带芯柱 的砌块墙体 的研究 研究结果表 明 ， 在水平荷载作用下 ， 裂缝首先 在芯 柱间的砌块 中产生 ， 且沿 4 5 。 方 向呈 阶梯状发 展 ， 在 此 阶段 内荷载 位移曲线 接近于直线 ， 结构处 于弹性 阶段 ( 图 1中点 A 以前 的线 段) ； 随着水平 荷载 的增加 ， 芯 柱 间已有裂缝缓慢发展 ， 并陆续 出现一 些新的裂缝 ， 此 时结构 的位移发展也更迅速 ， 结构处于弹塑性 阶段 ( 图 1中 A 。一 。之间 的线段) ； 当荷载继续增加 ， 出现芯柱 裂缝 贯通 ， 进而裂缝 贯穿全 墙时 ， 即达 到极限荷 载 ( 图 1中点 c n ) ； 在此 以后 ， 继续保持反复加载 ， 在经历数倍 于初裂位移的大位移作用下 ， 结构的残余变形 较小 ， 荷 载下降缓慢 ， 最终结 构承 载力下 降约 5 1 0 ( 图 1 中点 D ) ， 表现 出较好 的变形能 力 。由于芯柱 与砌 块 良好 的结合 ， 增大 了砌块墙的整体刚度 ， 导致墙体应 力 分 布的改变 ， 芯柱区应力有所提高 ， 而无 芯柱 区的应 力 相应低一些 ， 但 芯柱 混凝 土的抗拉应 力强 度远 高于砌 体 区段 ， 初始 裂缝 首 先发 生 于砌 体 区段 ， 而且 芯 柱 愈 多 ， 其对应的初 裂荷载也愈大 ， 而且墙体 的刚度 也有所 提高。砌 体初裂后 ， 芯柱除保持对砌体 的约束 外 ， 主要 作用在于阻止 主要裂 缝 的贯通和延缓 裂缝 的发展 ， 直 到在较高 的极 限荷载 下芯柱 被剪断 之前 ， 配 筋芯柱 作 为砌体的销键 ， 对 阻止墙 体 的破 坏是有 效 的。在 反复 1 O 8 荷载作用下 ， 芯柱的被剪断和砌体沿砌 缝 的滑移破坏 ， 反映出砌块墙体的剪切摩 擦破坏特征。 3 3砌块和模 型砌块墙体房屋 的抗震性能试验_ 2 0 在砌块墙体初裂前 ， 结构处于 弹性 阶段 ； 随着荷载 不断加大 ， 砌 块 砌体 的 裂缝 逐 渐发 展 ， 砌 块 内的芯 柱 ( 或构造柱 ) 也开始 出现裂缝 ， 直到所有芯柱裂缝 贯通 ， 呈现结构破 坏 ， 相应 的结构 也逐 渐进入 弹塑性 阶段和 塑性阶段。同时 ， 芯 柱 ( 或构 造柱 ) 中钢筋 的应 力在 弹 性阶段一般约为钢筋屈 服强度 的 3 0 ， 说明房 屋 的抗 剪能力主要 在于砌 体墙本 身 ， 即使 到塑性 阶段 极限位 移时 ， 芯柱 中钢筋 的应力 才接 近或到达屈服强度 。 3 4混凝 土墙体与砌块墙体 的共 同工作 以砌体墙为主导 的房屋结构 的变形和应力 特征与 单纯砌体墙房屋近似。由于建议砌体墙 抗剪能力需不 低于房屋抗剪能力的 7 5 8 0 ， 换言之 ， 混合墙体 的 抗剪能力仅 比单 纯砌块墙 房屋 的提高 了约 2 0 ， 而其 刚度增加约为 1 5 。在此 条件 下 ， 混凝 土墙 与砌体墙 的变形是 协调的 ， 变形 协调 曲线 如 图 1所示 。由于在 弹性阶段 混合墙 体刚度 ( 图 1中点 A ，以前 的线 段) 略 有增加 ， 使 墙体 的变 形 有 所减 小 ， 导致 在 弹塑 性 阶段 ( 图 1中 Al 一 l之 间的线段 ) 及 塑性 阶段 ( 图 1中 。 一 D之间的线 段 ) 墙 变形 发展减 缓 ， 并 获得 更大 的极 限荷载和极限变形 ， 使得结构延性也略有改善 ， 由于刚 度增长 ， 初裂变形 也略有 推迟 。砌 体墙及 其 芯柱裂 缝 发展也有 所推迟 ， 并且 随着 砌体墙 及其 芯柱 刚度逐 渐 退化 ， 混凝土墙 内的应 力开始增长 ， 并 逐渐在混凝 土墙 内呈现裂缝 的发展 ， 当砌 体墙及其 芯柱裂 缝贯通时 ， 混 凝 土墙 的裂缝发 展不 会太充 分 ， 但 因砌体 墙 的主导地 位 ， 混合墙体将 接 近破损极 限 。从墙 内应 力发展 来分 析 ， 砌体墙 内的应力 比单纯 砌体墙 的也 会低 一些 。在 弹性 阶段 ， 砌体墙 芯柱 和混凝 土墙 中钢筋 的应力 都很 低 ， 在塑性阶段砌块 墙 芯柱钢筋 的应 力只会 趋近 于其 屈服强度 ， 而混凝 土墙 中钢筋 的应力 不会 比芯柱 钢筋 应力大。总之 ， 混凝 土墙 和砌 块( 芯柱 ) 墙 体共 同工 作 ， 从裂缝 、 刚度 、 受力状 态 、 抗震延性 等方面综合考察 ， 房 屋的抗震性 能均可 得到有 利 的补 偿 ， 而仍 不脱 离砌 体 墙的范畴 ， 能够充分有效地发挥砌体结构 的功能 ， 这不 仅在技术上是合理 的 ， 同时也是经济 可行 的。 4 混合墙体共同工作的设计原则 4 1砌块墙体结构平面和立面布置 、 层数 和高 度 、 墙体 间距 、 房屋高宽 比应遵照抗震规范和砌体规 范的要求。 当房屋平 面尺寸偏大时 ， 首先应使墙体 布置匀称 ， 8度 抗震设防时 ， 应尤其注意纵墙的配置 ， 当一般结 构措施 不满足要求 时 ， 可在楼 梯 间的 内纵墙上 结合 配 电箱 的 需求 ， 设置一部分混凝土墙 。 维普资讯 维普资讯 2 在房屋楼梯间处内纵墙 设置部分混凝 土墙体 当按混凝土墙的实际 弹性模量计算墙体刚度时 ， 混 凝土墙取 C 2 5级混凝土 ， 弹性模量 E =2 81 0 7 k N m 2 ； 砌块 M U 1 0 ， 砂浆 ： 层 1 3 为 M 1 0 ， 层 4 6 为 M 7 5 ， 弹性 模量分别是 Ek=4 7 4 31 0 ， 4 01 0 k N m 2 ， 弹性模 量 比为 E E k=5 9 0 3和 7 0 0 。 验算结 果表 明， 各 层纵 墙 肢的抗震剪力承载力均能满足设计要求 。但 是 ， 砌块墙 肢承担 的总剪力仅 占层间总剪力 的 6 3 5 6 6 4 ， 砌 块墙体分担的抗震剪 力偏低 ， 有可 能使 芯柱配置偏少 ， 导致实际上砌块墙体抗震能力不足 ， 砌体墙过早 出现裂 缝 ， 即使房屋在混凝土抵抗 下不致地震倒 塌 ， 而砌 体墙 的过早和偏多裂缝 ， 表 明房屋抗震效果不良。 混凝土墙与砌体墙 的弹性模量 比取为 3 1 0 。验算 结果表 明， 各层纵墙 肢 的抗 震剪 力承载 力均 能满 足设 计要求 ， 此时 ， 砌体墙肢承担的总剪力 占层间总剪力 的 7 8 4 ， 效果很好 。 6 2例题 二 设 6层 K P 1型粘土砖 墙砌 体房屋 ， 平 面 如图 3所示 ， 要求按抗震设 防烈度 8度进行 验算 ， 层 高 与上例相 同， 开 间为 3 3 04 2 0 m和 4 5 05 4 0 m； 进 深为 4 2 0 ， 5 8 0， 7 8 0 m。房屋 纵 向墙 体有 两道 是 通长 的 。 另 三道是 分段 不连 通的 ， 楼 板厚 度取 1 2 0 mm， 但少 数短 跨为 4 5 0 m 的楼 板厚度取 1 3 0 m m， 楼板建 筑 面层 和隔墙装修 改造荷载 与上例均相 同 ， 墙体 内构造柱 和 I 三一 删 撩 ： 十 l 一 土二 图 3 多层 K P 1 砖 房屋平 面( m) 不 同方 案分析 表 1 方案 横向 抗震能力 纵向 抗震能力 问题与结论 构造柱和圈梁 儿 3 Q ： 有 2 2个墙肢的 按抗 震规范要 1 5 0 1 9 1 1 3 Q =0 6 2 0 9 5 ， 占 横向抗震能力满足规范 求配置， 共9 4 仅首层有一 总墙 肢 ( 6 2肢)的 要求， 纵向抗震能力不满 墙肢为0 9 6 ， 3 4 4 ， 其中 O 8 9 的 足规范要求。 根 构造柱 。 满 足要求。 有1 5 个， 占2 4 2 。 构造上不合理： 长2 2 0 在 纵向 墙肢 上 纵向抗震能力大为提 2 4 0 m的 墙肢需要4 个构 增加2 4 个构 满足规 高， V J 1 3 Q 0 9 5 ， 仅 造 柱， 长1 6 0 一1 9 0 m的 造柱， 构造柱 范要 求。 一 个墙肢为0 8 9 ， 基本 墙肢上3 个， 构造柱问砌 总计l l 8 个。 满足规范要求。 体 太小， 不符合砖型， 砌 筑质量不好。 纵向抗震能力大为改 构造柱9 4 根， 善， 儿 3 Q 0 9 6 ， 纵 纵向抗震能力基本满足 三个楼梯问的 满足规 向层 刚度 约增 加 规 范要求。构造上不合 三道纵墙段改 范要求 。 1 3 4 ， 层 1 砌体墙承 理的状况已改善， 方案二 为混凝土墙 担了7 7 1 的层地震 中构造柱间砌体太小已 体。 剪力， 砌体墙保持了抗 不 存在， 有利于改进砌体 质量。 震的主导地位 。 圈梁 首先 按抗 震 规 范要 求 设置 ， 然 后进 行 分 析计算 。 墙体 材料 与上 例相 同， 构造 柱尺 寸 2 4 02 4 0 ， 混 凝 土 C 2 5 ， 配筋 4圭1 4 。楼层荷载代表值 1 4 2 6 k N m 2 ( 按楼层 面积计算 ) 。按抗震设 防烈度 8度验算 ， 结果见表 1 。 7 结 语 在多层砌体房屋设计 中 ， 当抗震能 力不足时 ， 在楼 梯 间的内纵墙 中设 置混凝 土墙段是一种有 效和可行 的 方案 。需要说 明的是 ， 混 凝土 墙段参 与协 同工作 是有 限的 ， 如果某一房 屋要求 混凝 土墙段 分担地 震剪 力大 于楼层地震剪力 的 3 0 3 5 ， 则应 适 当增加砌 体墙 或加厚某些墙体 ， 或采取其他 的措施 。 参 考 文 献 1 四川 省建筑 科学研 究所 ， 中国建筑 科学 研究 院结构 研究所 等 八度 区混凝土空心小型砌块建筑抗震性 能研究 R 1 9 8 6 2 周炳章 ， 郑伟等 小 型混凝 土空心砌块 六层模 型房屋抗 震性能 试验研究 R 1 9 9 3 3 金伟 良等 不 同构造措施混凝土空心小型砌块墙 体的抗侧力性 能试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 1 ( 1 2 ) 4 中国建筑科学研究院结构研究所 高层建筑结构设计 M ( 上接第 9 1页) 设计屋架上弦横 向支撑时 ， 必须考 虑支撑力 ， 但 可 以不和风力 相叠加 ， 而是采用分 工负责 的办法 ， 由端部 支撑承担风力 ， 中间支撑 承担 支撑力 ， 系杆 也按支撑力 选截面。建议 支 撑架 采 用专 责横 撑 ， 不 由檩 条兼 充 。 这样上弦压缩造成 十字斜撑 的附加压力可 以不考虑 。 柱子 吊车肢压缩效应 引发 的十字斜撑 附加 压应力 不能忽视。为此 ， 斜撑不应按拉杆设计。柱列 的支撑力 和纵 向制动力要 同时考虑 ， 但 风力可以由柱子屋盖肢 的 支撑 承担 。后 者 也 同时 承受 屋盖 肢 的支撑 力 。规 范 G B 5 0 0 1 7规定 支撑 力 可 以不 和其 他作 用 的效 应 叠加 。 执行这一条款需 要对具体情 况进行具体分 析。分 析表 明， 屋架上弦横向支撑和柱子 吊车肢支撑 ， 风力都无 须 和支撑力叠加。但是 柱子屋盖肢 的支撑有必要考 虑支 撑力和风力的组 合( 可 以引进适当的组合系数) ； 柱子吊 l l 0 车肢 的支撑则有必要考虑支撑力和纵 向制动力的组合 。 参 考 文 献 1赵熙元 建筑钢结构设计手册( 上) M 冶金工业 出版社 ， 1 9 9 5 2杨 晓东 ， 郭静 单层钢结构厂房 X型柱间支 撵问题的探 讨 J 钢结构 ， 2 0 0 6， 2 1 ( 4 ) ： 5 3 5 6 3E u r o c o d e 3 ： D e s i g n o f s t e e l s t r u c t u r e s ， P a r t l 一 1 E N 1 9 9 3 1 1 ： 2 0 0 5 A C S E u r o p e a n C o m m i t t e e f o r S t and a r d i z a t i o n ， 2 0 0 5 4钢结构工程施工 质量验 收规 范( G B 5 0 2 0 5 -2 0 0 1 ) S 北 京 ： 中 国计划出版社 ， 2 0 0 1 5高层民用建筑钢 结构 技术规 程( J c J 9 9 9 8 ) S 北 京 ： 中国建 筑工业出版社 ， 1 9 9 8 6陈绍蕃 钢结构设计 原理 ( 第 三版 ) M 科学出版社 ， 2 0 0 5 7 1 B L E 1 C H F B u c k l i n g s t r e n g t h o f m e t a l s t ruc t u r e s M c G r a w - H i l l ， 1 9 5 2 中译本 ： 金 属结构 的屈曲强度 M 北京 ： 科学出版社 ， 1 9 6 5 8陈友泉， 魏潮 文 轻钢结构支撑 体系 内力 计算及设 计问题 的探 讨 J 建筑结构 ， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 7 ) ： 1 3 1 5 9汤征 单层 门式刚架轻型房屋支撑体系的受力分析 J 建筑结 构 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 5 ) ： 1 9 2 1 1 O 陈绍蕃 钢结构稳定设计指南 M 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 维普资讯