砌体结构抗震横墙的概念设计.doc

砌体结构抗震横墙的概念设计
徐小朝，李群才，郭战伟
（漯河市建筑设计研究院 462000）
摘要：本文通过对砌体结构的抗震计算要点、水平地震剪力分配原则的扼要说明，阐述了抗震横墙的概念以及相关构造设计方法
关键词：砌体结构 抗震计算 抗震横墙
1.地震震害
地震对建筑物的破坏作用，主要是由于地震波在土中传播引起强烈的地运动造成的。对于多层砌体房屋和底部框架房屋，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)中条文说明，一般只考虑水平地震作用的影响。当水平地震作用沿着房屋的横向对房屋产生影响时，地震作用主要的传递途径为：地震作用→横墙→基础→地基，此时，横墙承受剪切应力，超过砌体所能承受的抗剪承载力时，横墙就会产生斜裂缝或交叉裂缝。当水平地震作用沿着房屋的纵向对房屋产生影响时，地震作用主要的传递途径为：地震作用→纵墙→基础→地基，如果窗间墙较宽(即高宽比较小)时，纵墙将以剪切破坏为主；如果窗间墙较窄(即高宽比较大)时，纵墙将会产生压弯破坏。
2. 抗震计算及水平地震剪力的分配
多层砌体房屋和底部框架房屋的抗震计算，可采用底部剪力法，并应按规范规定调整地震作用效应。结构楼层水平地震剪力可根据楼屋盖的水平刚度，按下列原则进行分配：
2.1横向水平地震剪力的分配
（1）刚性楼盖
现浇和装配整体式混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，宜按抗侧力构件等效刚度的比例分配，由此可得到第i楼层第j道墙所承担的水平地震力：
Vij= (Kij/Ki)Vi
式中 Kij—第i楼层第j道墙的侧移刚度；
Ki—第i楼层墙体侧移刚度的总和；
Vi—第i楼层所承担的地震剪力值。
(2)柔性楼盖
木楼盖、木屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配，即：
Vij= (Gij/Gi)Vi
式中 Gi—第i楼层楼盖上所承担的总重力荷载；
Gij—第i楼层第j道墙与左右两侧相邻横墙之间各一半楼盖面积(从属面积)上承担的重力荷载之和；
Vi—第i楼层所承担的剪力值。
(3)中等刚性楼盖
普通的预制装配式混凝土楼、屋盖等半刚性楼盖建筑，可取上述两种分配结果的平均值。
2.2纵向水平地震剪力的分配
由于楼盖沿纵向的水平刚度较横向的水平刚度大得多，故可将纵向水平地震剪力按墙
体刚度比例分配给各纵墙：
Vij= (Kij/Ki)Vi
2.3砌体墙段的层间等效侧向刚度的计算原则
墙体的侧向刚度计算应考虑高宽比(h/b)的影响，
(1)h/b＜1时，只考虑剪切变形，δs=ξh/AG=3h/(Etb)
其侧向刚度Ks=1/δs=Etb/3h,
(2) 1≤h/b≤4时，应同时计算弯曲和剪切变形，
弯曲变形为δb=h/(12EI)=h/(Etb)
总变形δ=δs +δb=3h/(Etb)+ h/(Etb)
其侧向刚度Kbs=1/δ=Et/{(h/b)[(h/b)+3]}
式中 h—墙体、门间墙或窗间墙高度；
A—墙体、门间墙或窗间墙的水平截面积，A=bt；
b—墙体、门间墙或窗间墙的水平截面长度；
t—墙体的宽度即墙厚；
I —墙体、门间墙或窗间墙水平截面惯性矩，I=bt/12；
ξ—截面剪应力分布不均匀系数，对矩形截面取ξ=1.2；
E—砌体弹性模量；
G—砌体剪变模量，取G=0.4E；
(3)4＜h/b时，等效侧向刚度取为0.0，即可以不考虑此部分墙段的侧移刚度。
注：墙段的高宽比指层高与墙长之比，对门窗洞边的小墙段指洞净高与洞侧墙宽之比。
3. 抗震横墙的概念及定义
多层砌体房屋和底部框架房屋的抗侧力构件是各道墙体，横墙承担横向水平地震作用，保证结构的整体安全，那么，如何给抗震横墙下定义呢？我们以刚性楼盖建筑来讨论这个问题，在横向水平地震剪力分配中，是按照抗侧力构件等效刚度的比例来分配的，即每道横墙按其等效刚度的比例承担水平地震剪力。第2.3节，我们讨论了墙体的等效侧向刚度的计算方法，知道如果高宽比大于4的墙段，不考虑其侧向刚度，这就意味着：当层高为2.80米的多层砌体房屋，横墙墙段小于0.70米时，根据规范条文的规定，将不参与水平地震力的分配过程；对于3.0米层高的多层砌体房屋，横墙墙段小于0.75米时，也将不参与水平地震力的分配。
因此，我们可以这样认为：抗震横墙是具有足够的强度承载能力和抗震能力，在水平地震时，承担横向的水平地震力，减轻建筑的地震破坏。对于常见的层高为2.80米或3.0米的多层砌体房屋，墙段满足高宽比不大于4的承重横墙(包括自承重墙体)，在结构设计中都可以认为是抗震横墙,但同时还应满足规范对墙段的局部尺寸限值的要求(这里所说的规范为建筑抗震设计规范)。
4. 抗震横墙的最大间距要求
多层砌体房屋，建筑结构的两个主轴方向上的水平地震作用应分别由两个主轴方向上的墙体来承担，由于纵向墙体的间距一般不会过大因此规范对纵墙的间距没有加以限制。横墙的间距由两个因素来决定，一是强度要求，一般情况下均能满足要求；二是抗震措施要求，即横墙最大间距的限制，其依据主要是从地震区的震害结果总结而得到的。
所以，横墙除了必须具有足够的抗震能力外，其间距还必须能满足楼盖对传递水平地震作用所需的水平刚度要求，也就是说，横墙的间距必须根据楼盖的水平刚度给予一定的限制，其最大间距不应超过表4.1的要求：
表4.1 房屋抗震横墙最大间距
房 屋 类 别
地震烈度
6
7
8
9
多层
砌体
现浇或装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖
装配整体式钢筋混凝土楼、屋盖
木楼、屋盖
18
15
11
18
15
11
15
11
7
11
7
4
底部框架-抗震墙
上部各层
同多层砌体房屋
-
底层或底部两层
21
18
15
-
注：1 多层砌体房屋的顶层，最大横墙间距应允许适当放宽；
2 表中木楼、屋盖的规定，不适用于小砌块砌体房屋。
5. 底部框架房屋砖砌抗震墙的构造
6、7度区总层数不超过五层的底部框架房屋，允许采用嵌砌于框架之间的砌体抗震墙，采用普通砖抗震墙时，其构造应符合下列要求：
(1)墙厚不应小于240mm,砌筑砂浆强度等级不应低于M10,应先砌墙后浇筑框架。
(2)沿框架柱每隔500mm配置2φ6拉结钢筋，并沿砖墙全长设置；在墙体半高处尚应设置与框架柱相连的钢筋混凝土水平系梁。
(3)墙长大于5米时，应在墙内增设钢筋混凝土构造柱。
此外，砖砌抗震墙的布置还应均匀、对称，使结构质量中心和刚度中心尽量重合，同时满足过渡层处上、下结构侧向刚度的比值限制要求。
6. 结论
本文对横墙在水平地震时参与地震剪力分配的工作机理进行了论述，使我们对抗震横墙的概念有了进一步的理解。抗震横墙和普通的横墙一样，都具有足够的强度承载能力，唯一的区别在于：抗震横墙的墙段能满足规范对高宽比的要求，具有等效的侧向刚度，因而可以成为抗侧力构件，共同参与分配水平的地震剪力。
因此，对抗震横墙的构造设计，只要根据房屋的结构形式，选用对应的规范条文来进行结构设计，就能完全满足房屋的安全可靠工作。

参考文献
[1]建筑抗震设计规范(GB50011-2001)[S].
[2]砌体结构设计规范(GB50003-2001)[S].
[3]刘立新.砌体结构[M].武汉:武汉理工大学出版社,2005.5
[4]施岚清.一二级注册结构工程师专业应试指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

作者简介：徐小朝，出生1976年，1999年毕业于郑州工业大学土建系，本科学历，
助理工程师，从事基础理论科学研究和高层结构研究。
李群才，出生1976年，本科学历，工程师，从事基础理论科学研究

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