非结构墙体部件的抗震措施
大荔县商贸产业园管委会 王建德 工程师
摘要:主体结构的抗震能力已引起应有的重视,而对非结构部件只是从提高整体刚度出发,提出了一些原则性性的要求或采取了一些锚固和拉结措施，但从根本上仍然无法解决两种性质截然不同的材料在地震力的作用下产生的位移差异,从而导致非结构部件与主体结构连接部位或非结构部件发生破坏,而发生严重后果。如何采取有效的抗震措施,确保非结构部件在地震作用下不致破坏,是本文探讨的主要课题。
Summary: The anti- Of the corpus construction shake the ability to has caused at the request of have of value, but to not construction parts just from increases the whole just the degree sets out, putting forward the some principle sex or adopt the some anchor man with pull the knot measure, but can't still solve two kinds of kinds by the root entirely different of the that material under the function of the earthquake dint is output moves the difference, from but cause not construction parts and corpus construction conjunction part or not the construction parts occurrence breaks, but cause serious result.How to adopt the valid anti- shake the measure, insuring not construction parts under the earthquake function not unlikely to breakage, is main lesson that this text inquiry into.
关键词:地震 非结构部件 抗震措施
Key phrase: The earthquake is not the construction parts anti- earthquake measure
地震是人们面临的严重自然灾害之一,强烈地震常造成人身和财产的巨大损失,因此,研究结构的抗震性能具有充分的必要性。抗震设计规范(GB50011-2001)(以下简称抗震规范)对建筑物的抗震设计提出了一系列要求,并制定出必须严格执行的强制性条文,但在非结构部件的抗震措施上,只是原则性的提出一些要求,对于不同的结构类型,在什么情况下采取什么具体措施,还很不明确。同时,国家编制的抗震构造标准图也没有完全明确非结构部件的抗震构造措施。因此，究竟采取怎样的措施,才能确保非结构部件遭遇强烈地震时的安全,是本文探讨的主要课题。
抗震结构中非结构性部件是指充填墙、外墙板、内隔墙、建筑装修、电气和设备等, 对这些部件设计的总要求是:在主体结构未破坏之前不得破坏或不允许发生短时间内不能修复的破坏。非结构部件的抗震措施在构造上是一项复杂而细致的工作,不少问题在世界范围内尚未得到很好解决。这些问题的解决不能仅靠设计计算,还要靠实践经验,要靠正确的估计和判断。需要从事建筑设计的各专业人员和施工人员配合协作,深入细致的总结抗震经验,研究出简易可行切实的构造措施。笔者结合国内外的实践经验和有关资料,仅就充填墙、外墙板、内隔墙的抗震构造作以简单论述,供参考。
一、 充填墙
抗震规范13.3.3条对多层砌体结构、钢筋混凝土结构充填墙的结构及与主体结构的连接提出了一些要求,但效果如何,尚需进一步探讨。一般来说,充填墙分为刚性连接(硬连接)和柔性连接(软连接), 图1是这两种构造作法概念的示意图。
充填墙硬连接与框架形成整体,对框架产生了有利和不利的影响。有利的影响是增加了结构的刚度,减少位移,降低了框架构件的部分内力,施工也较方便。但不利影响是主要的。在强烈地震时,有利因素会消失,充填墙本身可能遭到破坏,加之充填墙和主体结构是由两种不同材料组成的,在地震力作用下,加速度不同,位移产生差异,其结构受力状态不能按设计意图工作,使主体结构产生次应力,可能导致主体结构的破坏。
主体结构越柔,与之硬连接的充填墙的刚度越大,其不利影响也就越大,因而在刚度较大的主体结构地震烈度又不太高的地区,充填墙可能不发生问题,从而认为:对刚度大的主体结构充填墙可以采取硬连接,对刚度小的柔性结构宜用软连接。一般的提法:层间位移小于1/1000层高的结构称为刚性结构,大于这个比值的,称为柔性结构,层间位移比值小于1/2000层高的结构,使用硬连接的充填墙才较有把握。
目前,国内多采用硬连接解决充填墙的抗震设防问题,如抗震规范13.3.3条规定的各种抗震措施,主要是从加强结构的整体性能出发,通过砌体内设置拉结钢筋与主体结构进行拉结,达到抗震设防之目的。这样做,也符合我国根据具体国情制定的二阶段设计实现三个水准的抗震设防要求,也就是我们通常说的“小震不坏,中震可修,大震不倒”。
一般来说,充填墙采取了抗震规范规定的硬连接措施,在6度、7度地震烈度下可能不会发生问题,但在高烈度的情况下难免遭到破坏,1976年7月28日的唐山7.8级地震和2008年5月12日发生的汶川8级地震,就是很好的证明,未倒塌的房屋外墙普遍出现了45度交叉斜裂缝,因此,普通砌体充填墙的做法因对抗震没有把握,在日本基本不用。所以,为了解决充填墙在框架结点处对角线的压力,建议充填墙硬连接时除应按照抗震规范的要求采取抗震措施外,还应在充填墙的四角做缺角以软质材料填补,不做缺角则需加强框架结点处梁柱截面的抗剪强度,防止梁头柱头被挤坏。当然,最好还是采取软连接比较稳妥。
抗震规范13.3.3条“2”中指出:“钢筋混凝土结构中的砌体充填墙宜与柱脱开或采用柔性连接”。但对如何脱开和采取什么柔性连接措施没有明确规定,这就给实际操作带来一定难度。笔者认为, 充填墙和框架采用软连接的做法对外墙是困难的,对内隔墙尚存在着两个未能很好解决的问题。一是隔音防火效果差,另一个是要解决平面外的稳定问题。对充填墙而言,刚度较小的框架结构,墙边和墙顶需要保持20~40毫米的缝隙。缝隙可以采用软材料进行填塞,并用固定在主体结构上的活动盖板遮盖。竖缝须完全脱开,墙的两端做维持稳定用的墙垛墙顶也需做拉接措施。如做抹灰墙面,墙的边缘使用金属挡灰板严禁缝隙被灰浆堵塞。如采用空心砖或空心砌块做充填墙,则在孔洞内配置竖向筋,灌填砂浆水平缝在空心砖的凹槽内配筋,其顶部的构造做法见图2。
对软连接做法的充填墙,墙顶与吊顶应脱开,各种管道和通风道更不得以墙顶为支撑点,避免加重墙抵抗水平力的负担和阻碍墙顶的自由滑动。
二、 外墙板
抗震规范13.3.2条对外墙板的抗震设防只是原则性的提出了要求,但对外墙板与主体结构的连接并没有具体措施,在此进行探讨。
预制装配外墙板,其连接节点可采用滑动的活连接的做法。这是为了适应主体结构在强地震力作用下的变形,从而保护墙板不被挤坏,下面提出一些墙板的连接构造做法,有些是国外的经验,需要根据我国设计和施工特点参考运用和改进。
外墙板的构造形式有摇摆式和滑动式。墙板多置于立柱的外面,也有布置在立柱之间或立柱的里面。墙板与框架之间要留出一定的位移幅度。位移幅度的大小,严格说来要根据主体结构地震时产生的楼层位移来决定。这个幅度一般按计算的弹性位移加大2~3倍。对层高3米多的建筑其位移幅度约20毫米。
外墙板的设计,首先要了解不同的构造连接的墙板的位移特点(图3)。对下端固定、上端滑动式的狭板,相对位移不一致,板与板之间的缝隙要留的大些。对单支撑点的摇摆式墙板,板与板之间平行滑动,竖缝不一定要留的很宽(一般20毫米),但顶部空隙需要大些。对整开间整块大墙板,主要是平移,竖缝不一定需要很宽(一般15毫米),而水平缝产生错动,缝隙需要留的大些。由上面的关系可以看到,墙板构造布置不同,缝宽和位移幅度的要求也不同。位移幅度和缝宽是两个概念。位移幅度是根据层间位移决定的,而板间留缝是根据构造决定的。
墙板除产生平面内的位移还要考虑墙板平面外的位移。这部分位移由墙面平面外的弯曲变形和墙板上下端可能的转动余地来解决(图4)。此时连接板产生的应力常比墙板平面内位移连接件产生的应力要大的多。平面外的位移更应引起重视。
摇摆式适用于狭条、重量较轻的墙板,每块墙板重量支承在一个节点承受水平荷载时,墙板做摇摆运动。墙板的下端在支座角钢上粘贴硬橡皮垫,由两个带有松动孔的垫板和螺栓控制转动变形。下部支承点的转动使上端连接点产生水平和竖向位移,墙板上端的连接可以采取两种做法,一种做法是由弹簧板控制其竖向位移 ( 图 5 ) ,另一种做法是由槽钢来控制,墙板在槽钢内可自由滑动并限制墙板平面外的移动,墙板顶与槽钢要留出一定空隙放软质材料。( 图 6)
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滑动式墙板的做法较多,有下托、上挂等形式。钢筋混凝土外墙板自重较大,采用下托式较好。这种做法外墙板的重量支撑在两个节点上,一个节点做成固定式,另一个节点做成滑动式,可以沿墙板平面内水平滑动,滑动面最好夹填一层耐久性高,摩擦系数极低的聚四氟乙烯垫。下端滑动支座的作用是解决温度伸缩变形。墙板的上端连接构造也是可滑动的,以适应水平位移。上端活动节点用角钢连杆,与墙板连接处有贴在角钢臂上的硬橡皮垫,以适应各方向的变形(图7)。主要变形是水平位移。
滑动式墙板在墙板上端也可以采用安置槽钢的办法使墙板在槽钢内自由滑动。如将外墙板置于柱子的里面,外墙面露出墙和梁,且每层每开间采用一整块墙板,则所有墙板竖缝包括角柱处预留缝隙均能隐藏在柱子的背面。墙板槽钢则安置在室内横梁的下皮。这种做法可将楼板挑出以遮挡上部的连接构造,下端可以更好的固定墙板。
墙板在角柱处是个较难处理的问题。墙板边距角柱边要留出位移余量。在任何位移情况下墙板边缘不得超出角柱的外边缘。否则在地震时可能和相垂直方向突出的墙板抵住。
对于高大的公共建筑的大墙板,常需要四面拉接以增强墙板平面外的约束。但每个节点要适应活动机构。
需要强调的问题,墙板的连接件是墙板抗震的关键部位,地震时应力非常集中。所以,连接件地震水平力应按墙板自重的两倍计算。钢筋锚固要有一定长度。最好能和墙板中的钢筋焊牢。使地震力分散于混凝土更大的面积范围,并用辅助钢筋局部加强混凝土。轻混凝土的局部强度不如重混凝土,更应慎重处理。连接件要保证焊接质量,不要使用硬钢或冷拉钢筋,也要防止钢筋因焊接而变脆。要注意埋件的锚筋忌用冷弯的方法弯折。不得使用焊接性能不好的钢材。还要防止埋件因缝隙漏水或结露而锈蚀。必要时使用镀锌钢件或不锈金属。并且要考虑节点连接的防火问题。外墙板和女儿墙一样在有些国家的规范中按极度危险的部位考虑。
三、 内隔墙
抗震设防的内隔墙应采用轻质材料,为了防火还应采用防火材料。隔墙龙骨有条件宜采用薄壁钢材。面层可以是多种不燃材料或准不燃材料如加气混凝土、石膏板等。
内隔墙与主体结构的连接也分为活连接和固定连接两种。对于一般楼层高度的钢筋混凝土剪力墙结构或剪力墙较多的框─剪结构,刚度大变形小,因而内隔墙构造上下端可做成固定装置,用螺栓上下连接。隔墙的面层最好使用整体性好的竖条轻质面材。
对刚度小的建筑如框架或剪力墙较少的框架─剪力墙结构,地震时会产生较大的层间位移,这就需要采用活连接的做法。下面介绍几种活连接的做法。
图8所示的内墙板是一种下端固定上端可滑动的做法。墙板厚度为70毫米,墙板贴有玻璃钢面的加气混凝土板。对一面露明的隔墙下端使用角钢和螺栓固定,上端用铁件夹住。铁件和上部梁固定并隐藏在吊顶内。隔墙板的宽度约1米,两板间留出12毫米缝隙以适应结构变形。缝内嵌入石棉纤维,用橡皮条盖缝。对两面露明的隔墙板下端用暗扣螺丝铁件和楼板固定。抗震实践证明,这样的做法,可使墙的表面不破裂。
图9是一种利用椭圆孔达到柔性连接目的的做法。图10是上端使用槽钢作为滑动手段的办法。全是下端固定上端可滑动的方式。墙板与墙板之间宜留有缝隙,墙板靠近立柱的两端最少要离开20毫米的缝隙,以便适应主体结构的变形。上面提到的几种做法是内隔墙常用的做法。
综上所述,不论充填墙、外墙板和内隔墙,只要根据建筑物的结构类型,选择适当的墙体材料,并采取适当的抗震构造措施,在遭遇相当于主体结构的设防烈度时,才能最大限度的减轻对主体结构的影响,可大大减少地震造成损失。
参考文献:
1. 建筑抗震设计规范(GBJ11-89)及1993年修订版，中国建筑工业出版社
2. 建筑抗震设计规范(GB 5001-2001)及2008年修订版，中国建筑工业出版社
3. 建筑震害与设计对策，黄世敏、杨沈等编著，2009年11月第一版，中国计划出版社出版
4. 唐山地震抗震调查总结资料选编，内部资料，1976年12月第一版，中国建
筑工业出版社
5. 建筑物抗震构造详图（97G329），中国建筑标准设计研究所出版