砌体与钢筋混凝土框架平面混合构抗震性的研究

砌体与钢筋混凝土框架平面混合构抗震性的研究

汤二威

中国建筑第二工程局有限公司华东公司

摘要:我国规范中对既有建筑中存在的砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构的抗震验算及加固方法未详细规定。砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构系由砌体承重墙和数榀平面框架混合承重的结构组成，由于其造价相对低廉且易于形成大空间而在20世纪80—90年代建成的多层房屋中占有一定的比例，此类房屋多见于学校、医院等，典型平面，这类房屋中部分属于抗震设防类别较高的建筑，现多面临着抗震鉴定与加固。

关键词:混凝土框架；剪力分配；剪力墙

对此类结构在水平地震作用下的受力机理以及水平剪力分配计算方法进行了分析，此类结构在水平地震作用下水平剪力主要由砖墙承担，砖墙与框架不能同时达到承载能力极限状态，不能有效协同工作，总体抗震性能较差。

1砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构抗震性能评估

1. 1. 水平地震作用下砌体与钢筋混凝土框架平面

混合结构受力机理分析砌体和钢筋混凝土框架是两种刚度和变形性能差别很大的结构形式，在水平力作用下，砖墙在层间位移角约1/3000时就发生初裂，刚度下降；层间位移角达到1/2000时开始出现对角裂缝；层间位移角达到1/1000时，对角裂缝贯通，此时砖墙的割线刚度大致等于其初始刚度的50%；层间位移角达到1/200时，墙面普遍开裂。

当达到砖墙的抗裂强度时，砖墙开裂，刚度下降，变形增大，水平剪力在砖墙与框架之间重新分配。随着砖墙刚度的不断降低以及整体结构变形的不断增大，砖墙的破坏程度不断加重，框架部分分担的水平剪力不断增长，框架也开始出现裂缝。当达到砖墙的极限强度时，砖墙形成较宽的主裂缝，框架部分也出现较多的裂缝，但尚未达到屈服状态。继续加载时，混合结构的承载力迅速下降，砖墙刚度大幅度降低至初始刚度的20%左右，框架部分承担的水平剪力迅速增大并达到其屈服状态甚至严重破坏。

1. 2. 水平地震作用下砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构剪力分配计算方法

      1. 结构计算模型假定

1. 假定为平面结构参照《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）[11]（简称《抗规》）和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）[12]的相关规定，在结构较规则、质量和侧向刚度分布接近对称的情况下，可采用平面结构模型，在两个主轴方向分别进行抗震分析，各方向的水平地震作用由该方向抗侧力构件承担。

2. 假定楼盖在平面内无限刚横墙间距满足《抗规》相关要求时，可保证楼盖对传递水平力的刚度要求，认为楼盖在平面内无限刚。

3. 假定砖墙变形以剪切变形为主多层框架结构在水平地震作用下的变形以剪切变形为主，如果砖墙的高宽比较小，则砖墙的变形也以剪切变形为主，混合结构整体的变形特征主要体现第一振型的特征，结构计算分析可采用底部剪力法。

1. 1. 2. 楼盖非刚性时的处理方法

上述分析是在假定楼盖为刚性楼盖的前提下，但当横墙间距较大时，刚性楼盖的假定不成立，楼盖的变形对框架的内力有较大的影响。钟锡根等对内框架房屋的空间性能进行分析，分析结果表明，楼盖的刚度对于框架的变形和内力有明显的影响。楼盖刚度基本值缩小一倍时，中间框架的侧移值增大约20%。当不满足刚性楼盖假定时，楼盖的变形对框架的变形和内力均有明显的影响，具体的影响大小与楼盖的形式、横墙间距、房屋的长宽比等均有关。

在砖墙与框架平面混合结构的实际计算中，为简化计算，可以偏保守考虑，取一榀框架进行地震作用计算，按照楼盖从属面积内的重力荷载代表值计算水平地震剪力。

2砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构增设钢筋混凝土剪力墙抗震加固计算分析方法

2.1加固方法选择

对砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构进行抗震加固有两种思路：第一种为“抗”的思路，即提升砖墙的抗剪承载力，可采用钢筋网水泥砂浆面层加固法或钢筋混凝土板墙加固法；第二种为“疏”的思路，即减小砖墙承担的水平剪力，可局部增设钢筋混凝土剪力墙来分担砖墙承担的水平剪力。

研究结果表明，局部增设钢筋混凝土剪力墙的加固方法具有较好的效果，整体结构形成多道抗震防线，抗倒塌能力明显提升。但与增设剪力墙相连的框架梁柱破坏严重，在加固时应对相邻梁柱构件进行同步加固。

在实际工程中，增设钢筋混凝土剪力墙可采用三种方式：1）凿除部分砖墙采用钢筋混凝土墙进行替换；2）采用双面钢筋混凝土板墙对局部砖墙进行加固；3）在框架中增设钢筋混凝土剪力墙。

不管采用哪种方式，其受力模式均可转化为砖墙钢筋混凝土墙组合结构，一般情况下此类结构的框架总侧向刚度很小，在计算分析时可不考虑框架的刚度贡献。当框架的侧向刚度不容忽视时，在砖墙总刚度中尚应考虑框架的刚度。在增设钢筋混凝土墙时，应注意单片剪力墙不宜过长，剪力墙太长则高宽比过小，此时由受剪承载力控制，破坏呈脆性，对抗震不利。每一墙段的高宽比不宜小于2，如果剪力墙过长，应通过开洞调整每段的高宽比，以保证由墙肢受弯承载力起控制作用。增设的剪力墙应设置可靠的基础，与原有的砌体墙、柱和梁等应有可靠连接。

2.2砖墙与钢筋混凝土墙协同工作计算

砖墙-钢筋混凝土墙组合结构的协同受力模式与框架-剪力墙结构类似，砖墙的侧向变形模式以剪切变形为主，钢筋混凝土墙的侧向变形模式以弯曲变形为主，其协同工作时的侧向变形模式是弯剪型的。

也可采用简化抗震分析方法，这类结构中钢筋混凝土抗震墙的高宽比一般在2.5~4.5之间，在计算中钢筋混凝土墙剪切变形的影响是不容忽视的，应建立考虑混凝土墙剪切变形的砖墙与混凝土墙协同工作的内力和变形计算方法。

3砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构抗震评估及加固案例

3.1房屋概况

某学校教学楼为四层砌体与钢筋混凝土框架混合结构，建于1988年，每层层高均为3.9m，墙体厚度220mm，楼屋盖大部分为预制空心板，板厚120mm。采用MU10烧结普通砖，混合砂浆强度M2.5，混凝土强度等级C25。楼屋面处沿内外墙均有一道圈梁，无构造柱。

3.2加固前抗震承载力验算及抗震性能评估

二~四层楼面恒荷载取3.5kN/m2，楼面活荷载取2.0kN/m2。屋面恒荷载取5.0kN/m2，不上人屋面活荷载取0.5kN/m2。楼梯间恒荷载取6.0kN/m2，活荷载取3.5kN/m2。计算中底层计算高度按4.4m考虑。砌体弹性模量取2000MPa。按7度抗震设防考虑地震作用，设计基本地震加速度0.1g，Ⅳ类场地，多遇地震下水平地震影响系数0.08。

根据楼层框架剪力按照D值法计算水平剪力作用下的框架梁柱内力，与重力荷载代表值荷载效应进行叠加后可对框架梁柱的承载力进行验算，验算结果表明，小震下框架梁柱的承载力满足要求。

4结论

1. 对砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构进行抗震验算时，对于砖墙应按其承担该方向的全部水平力考虑，并按各砖墙的侧向刚度比例分配；框架柱承担的水平力按各抗侧力构件的有效侧向刚度比例分配，有效侧向刚度的取值对砖墙乘以折减系数0.2。

2. 对砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构进行抗震加固时可采用钢筋网水泥砂浆面层加固砖墙法或局部增设钢筋混凝土剪力墙法。

3. 通过局部设置钢筋混凝土剪力墙加固砌体与钢筋混凝土框架平面混合结构使其转化为砖墙-钢筋混凝土墙组合结构体系，分析结果表明，这种方法具有良好的效果，砌体承担的水平剪力明显下降，结构具有多道抗震防线，抗倒塌能力得以大幅提高。但设置的钢筋混凝土墙应控制其高宽比在合理的范围内，且应设置可靠的基础，以保证墙肢抗弯能力。

参考文献：

1. 陈超.无设计资料钢筋混凝土框架结构鉴定思路及应用[J].福建建材,2021(08):33-35.

2. 杜勇.钢筋混凝土核心筒结构抗震性能分析和设计方法研究[J].中国设备工程,2021(14):12-13.