劉 鈺

LIU Yu

1 引 言

大地震具有震源淺、持續(xù)時(shí)間長、破壞性巨大等特點(diǎn)。縱觀國內(nèi)的地震,無論是2014年的新疆于田地震、2010年的青海玉樹地震以及2008年的汶川地震,其破壞區(qū)域涉及的面積廣,災(zāi)區(qū)多。地震區(qū)建筑的倒塌破壞性質(zhì)嚴(yán)重,人民遭受到生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。通常,建筑物良好的抗震性能是地震發(fā)生時(shí),保護(hù)人類財(cái)產(chǎn)和生命安全的首要防線。我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》[1]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[2]在對框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求中,均沒有考慮填充墻強(qiáng)度影響,而對剛度的影響也只是在計(jì)算結(jié)構(gòu)基本振動周期時(shí)乘以折減系數(shù)。如此簡單處理，使填充墻與框架的共同作用弱化或忽略,最終導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型不真實(shí),梁的內(nèi)力被放大,設(shè)計(jì)中將框架當(dāng)作強(qiáng)梁弱柱型結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,大多數(shù)設(shè)計(jì)者忽略填充墻影響,是因?yàn)闊o法計(jì)算和考慮填充墻引起的框架結(jié)構(gòu)豎向剛度的不均勻性和不連續(xù)性。最終,對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性出現(xiàn)失真想象。根據(jù)國內(nèi)震后房屋應(yīng)急調(diào)查評估發(fā)現(xiàn),框架填充墻在地震中破壞嚴(yán)重,當(dāng)?shù)卣鹆叶仍?度以上時(shí),填充墻大部分倒塌[3]。然而,由于填充墻與框架之間的相互作用機(jī)理復(fù)雜,工程設(shè)計(jì)中,還沒有一個(gè)被普遍接受的考慮框-墻相互作用的分析與設(shè)計(jì)方法。盡管國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)做了一些研究,但研究成果應(yīng)用到實(shí)際工程還有一定的距離。故長期以來,國內(nèi)設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)中回避了填充墻與框架的相互作用問題,僅把填充墻作為荷載施加在結(jié)構(gòu)上,忽略其剛度和強(qiáng)度的影響,致使計(jì)算模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)有較大的出入及分析結(jié)果失真,即便是嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)建筑,也存在抗震安全隱患。

2 工程概況

某工程采用的框架樓位于四川省都江堰市,總建筑面積約4 500 m2,為五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),抗震等級為三級。工程設(shè)防類別為丙類,該地區(qū)抗震設(shè)防裂度為7度,Ⅱ類場地,設(shè)計(jì)中取地震加速度值0.1 g,基本風(fēng)壓值0.3 kN/m2。梁、柱、板的混凝土強(qiáng)度等級均為C30,一層層高3.0 m,上部標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8 m,樓板厚度為100 mm。填充墻砌體為非承重頁巖空心磚,水泥砂漿砌筑±0.000 m以下采用M5.0,±0.000 m以上采用M5.0混合砂漿砌筑,容重取10 kN/m3。該房屋的一層平面布置圖見圖1，標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見圖2。由結(jié)構(gòu)平面布置圖可看出,該建筑物平面形狀規(guī)整,各層層高值比較接近,若按常規(guī)考慮,其抗震性能應(yīng)較好。事實(shí)上,5.12汶川大地震中,因其一層為車庫, A軸及B軸線間沒有橫向墻體填充,而二層以上為小戶型民用住宅,填充墻較多,一二層樓層間上下剛度突變嚴(yán)重,致使一層所有框架柱上、下端均出現(xiàn)塑性鉸破壞。從圖3發(fā)現(xiàn)：柱子兩端的主筋屈服,鋼筋被壓彎向外突出,塑性鉸區(qū)的混凝土被壓碎,柱端箍筋和拉結(jié)筋的錨固長度均被拉直,部分柱端還發(fā)生剪切錯(cuò)動破壞,整座建筑物嚴(yán)重傾斜。現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),該建筑物一層呈現(xiàn)屈服破壞的特征,一層所有框架柱向同一方向傾斜,導(dǎo)致二層以上結(jié)構(gòu)發(fā)生整體側(cè)移280 mm。一層柱相對轉(zhuǎn)角達(dá)1/16左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國家規(guī)范規(guī)定的大震不倒1/50極限值,該建筑物已超過危險(xiǎn)極限。

圖1 一層平面圖

圖2 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

3 結(jié)構(gòu)分析

以該工程為例,采用PKPM軟件和ETABS軟件建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。首先,分別建立框架有填充墻和無填充墻的有限元模型,用ETABS房屋建筑結(jié)構(gòu)軟件分別設(shè)計(jì)及計(jì)算,按規(guī)范對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析；其次,用PKPM軟件做無填充墻模型分析,二者進(jìn)行對比。ETABS模型中考慮了填充墻剛度的影響,梁柱采用桿單元,填充墻采用殼單元,砌體的彈性模量取1.59 GPa,泊松比為0.25,樓板采用膜單元。由圖2看出,縱軸線A軸和D軸上墻體所開的門窗洞口較多,故對墻體的剛度削弱較大,因此,建模時(shí)不考慮縱軸A、縱軸D軸線上墻體的剛度效應(yīng),只將A軸、D軸當(dāng)作無填充墻的框架看待。

計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),PKPM軟件、ETABS軟件考慮填充墻體作用和不考慮填充墻體作用的結(jié)構(gòu)第一自振周期分別為0.72 s,0.60 s和0.40 s?？梢?若考慮填充墻的剛度效應(yīng),結(jié)構(gòu)自振周期變小,框架結(jié)構(gòu)剛度增加,意味著地震力會顯著提高。當(dāng)然,用PKPM軟件和ETABS軟件計(jì)算的結(jié)構(gòu)模型結(jié)果是不相同的,這主要是因?yàn)镋TABS軟件能夠自動扣除梁、柱、板重合部分的結(jié)構(gòu)重量,而PKPM則不能夠扣除梁、柱、板重合部分的結(jié)構(gòu)重量。

圖3 都江之春1#樓震害情況

表1為有填充墻和無填充墻的兩種模型的相鄰層間側(cè)移剛度比。表1中,Kx、Ky分別為X、Y方向同層側(cè)移剛度與下一層側(cè)移剛度的比值,Kx1、Ky1分別為X、Y方向同層側(cè)移剛度與上一層側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中的較小者。

從表1的ETABS無填充墻的模型看出,結(jié)構(gòu)的一層剛度最大,以上各層的剛度分別比下一層略有降低。結(jié)構(gòu)各層的Kx1、Ky1均大于1,結(jié)構(gòu)在X、Y兩個(gè)方向上均不存在薄弱層。而在有填充墻模型中,結(jié)構(gòu)第二層的X、Y方向的層剛度分別是一層剛度的3.09倍和2.71倍,結(jié)構(gòu)一層的Kx1、Ky1分別為0.31和0.38,均遠(yuǎn)小于1?？梢?考慮填充墻的剛度效應(yīng)時(shí),結(jié)構(gòu)一層出現(xiàn)的薄弱層現(xiàn)象是非常明顯的。

表1 有填充墻和無填充墻的模型相鄰層間側(cè)移剛度比

研究發(fā)現(xiàn),在地震作用下,模型各樓層水平側(cè)移曲線如圖4所示。從圖中看出,在無填充墻模型中,結(jié)構(gòu)各樓層位移曲線較平滑,無明顯的突變,結(jié)構(gòu)變形曲線為典型剪切型曲線。但在有填充墻模型中,結(jié)構(gòu)的位移主要集中在一層,而上部各層的層間位移很小。從樓層的水平位移圖4可得出,框架結(jié)構(gòu)在一層存在明顯薄弱層。

有填充墻和無填充墻兩種模型在地震作用下的樓層剪力值見表2,其中X、Y方向的樓層剪力分別為Vx、Vy。從表2中ETABS軟件模型發(fā)現(xiàn),填充墻的存在加大了結(jié)構(gòu)的地震作用。本工程中,有填充墻模型的X、Y方向基底剪力與無填充墻模型基底剪力的比值約為2.0和1.85。

表2 有填充墻和無填充墻模型在地震作用下的剪力值

圖4 地震作用下五層模型結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線

4 設(shè)計(jì)要求

分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)墻體的相對剛度增大時(shí),模型的相對剛度也增大,二者關(guān)系成正比即保持線性關(guān)系。填充墻的存在提高了框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度,增加了框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),特別當(dāng)?shù)讓佑糜谲噹臁⑸虉龅却罂臻g的結(jié)構(gòu),易產(chǎn)生底部薄弱層效應(yīng)。設(shè)計(jì)中,在考慮此類結(jié)構(gòu)時(shí),要及時(shí)進(jìn)行底框架結(jié)構(gòu)分析,考慮填充墻的剛度效應(yīng),將填充墻當(dāng)作受力構(gòu)件,與相鄰周邊框架有效連接,以保證地震災(zāi)害發(fā)生時(shí),其結(jié)構(gòu)真正成為抗震設(shè)防的第一道防線。

影響框架結(jié)構(gòu)抗震性能的因素有很多。除填充墻與框架結(jié)構(gòu)連接剛度和連接方式外,還有結(jié)構(gòu)自身的材料強(qiáng)度要滿足規(guī)范要求。諸如：填充墻材料可采用輕質(zhì)材料,建筑平面和立面的選型布置應(yīng)科學(xué)、合理,避免采用畸形怪狀及嚴(yán)重不規(guī)則的方案,合理布置縱、橫填充墻,以增強(qiáng)填充墻剛度及整體性；計(jì)算中要注意軸壓比及剪跨比的限制,要考慮地震動輸入、結(jié)構(gòu)間相互作用等因素的影響。針對框架結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)實(shí)例,模型連接剛度建議采用75%比較合適；設(shè)計(jì)時(shí),采用帶構(gòu)造柱和水平系梁的連接,以延緩墻體破壞。工程設(shè)計(jì)中將地震區(qū)的建筑設(shè)計(jì)成延性結(jié)構(gòu)[4]。

5 施工建議

一是做好作業(yè)前施工準(zhǔn)備工作。諸如：清理干凈基底垃圾,按設(shè)計(jì)規(guī)范要求預(yù)留準(zhǔn)確墻體拉結(jié)筋的位置、規(guī)格,綁扎拉結(jié)筋時(shí)不應(yīng)錯(cuò)放、漏放,并核實(shí)拉結(jié)筋的數(shù)量、間距等。對用于填充墻的砌塊,砌筑前應(yīng)保證提前淋水濕潤,采用專用砌塊砂漿砌筑,砂漿應(yīng)隨攪拌隨使用,水泥砂漿必須在3 h內(nèi)用完,混合砂漿必須在4 h內(nèi)用完,砌筑中嚴(yán)禁使用過夜砂漿。嚴(yán)格控制水平灰縫厚度及豎向灰縫的寬度,一般為10 mm?；铱p不得出現(xiàn)透明縫、瞎縫和假縫。坡面與墻體交接處、樓地面上三皮磚及梁底頂磚均用水泥砂漿砌筑,預(yù)留線管、線槽。

二是建筑構(gòu)件應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求及施工規(guī)范設(shè)置。諸如：設(shè)有構(gòu)造柱的工程,在砌磚前,先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將構(gòu)造柱位置進(jìn)行彈線,并把構(gòu)造柱插筋處理順直。鋼筋磚過梁、鋼筋混凝土過梁應(yīng)按圖紙要求設(shè)置。非承重墻應(yīng)分次砌筑,每次砌筑高度不應(yīng)超過1.5 m。待前次砌筑砂漿終凝后再繼續(xù)砌筑。每日砌筑高度不宜大于2.8 m。砌磚墻時(shí),與構(gòu)造柱連接處砌成馬牙槎。

三是施工中防止梁頂填充墻收縮變形。在施工砌筑過程中,砌體與框架柱及剪力墻的節(jié)點(diǎn)縫逐皮填實(shí)砂漿后,再每側(cè)劃入30 mm,每砌完5皮砌塊,用嵌縫抹子將內(nèi)外灰縫原漿壓實(shí),以封閉毛細(xì)孔。構(gòu)造柱和墻體端部的非整砌塊,采用無齒鋸切割成型,嚴(yán)禁用粘土磚補(bǔ)充,砌至接近框架梁、板底時(shí),應(yīng)留一定空隙,待墻體砌筑完超過7 d 后采用60°角斜砌磚補(bǔ)砌擠緊[5],并將梁底節(jié)點(diǎn)處砂漿劃入30 mm 深。在操作過程中,要認(rèn)真進(jìn)行自檢[6],如出現(xiàn)偏差,應(yīng)隨時(shí)糾正,嚴(yán)禁事后砸墻。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院. JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[3] 黃東升,張志強(qiáng),毛龍泉. 汶川地震后綿竹、都江堰市房屋震害調(diào)查與分析[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2010(1)：109-115．

[4] 蔡文章. 汶川地震都江堰地區(qū)建筑震害情況分析[J]. 建筑技術(shù),2009(6)：531-534．

[5] 冼聰穎. 混凝土梁底填充墻頂收縮變形的控制[J]. 建筑技術(shù),2005(9)：705．

[6 ] 張魁珠. 房屋建筑施工工藝流程及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[J]. 中小企業(yè)管理與科技,2013(16):125-127.