内框架砖房指内部为框架承重、外部为砖墙承重的房屋。这类房屋比一般多层砖房能提供较大的使用空间,与全框架结构相比,它利用外墙承重而节省了外柱,简化了施工,节约了投资。内框架砖房的结构型式包括:内部为单排柱到顶房屋,多排柱到顶房屋,仅底层为内框架而上部各层为砖墙的底层内框架房屋。从立剖面的布置来看,中间柱贯通全部楼层的较多,但也有顶层取消柱列形成空旷砖房,或底层减少外纵墙,以扩大门面空间,还有一侧内框架一侧为砖房不贯通房屋全宽的内框架砖房。
底层框架砖房指底层为框架承重而上部各层为砖墙承重的多层房屋。这种结构形式早期多出现在我国的城市建设中的临街建筑,能满足底层大空间的需求,且具有比多层钢筋混凝土框架结构造价低和便于施工等优点。在我国经济尚较困难的时期,这是一种较为适宜的结构形式,经济好转后,底部商业类建筑的需求有所提高,出现了底部二层甚至三层为框架(框架-抗震墙)结构的商业用房。
内框架和底层框架房屋均是砖房和框架组成的混合承重结构,从抗震概念设计原则可以看出,这两种由上下或内外不同材料组成的复合结构,对于抗震性能都是不利的。事实证明,在历次地震中这两类结构的震害都是比较重的,而且这两类结构的震害特征也不一样。
4.1 内框架房屋的震害特征
内框架房屋的震害特征可概括为上重下轻、外重内轻、单排柱重多排柱轻、横墙间距大者重横墙间距小者轻。内框架房屋的主要震害特征分述如下:
⒈ 上重下轻
这个破坏规律与一般的多层砖房底层破坏重的规律相反。7、8度时顶层纵墙窗口上下有水平通缝,至两端为斜裂缝,与山墙的交叉裂缝相连;强烈地震影响下,上层墙体倒塌,梁、柱相继破坏,但不少内框架房屋的底层甚至无震害。
⒉外重内轻
内框架砖房的抗侧力构件主要是砖墙,地震作用下由于其内部空旷、墙体数量少,砖墙沿墙面的侧移刚度比柱子大很多,水平剪力大部分由砖墙承受,而砖墙的弹性变形限值和延性又比柱子小很多,因此,内框架砖房首先是墙体的破坏,并且其破坏程度较多层砖房要重。砖墙破裂后,刚度降低,变形增长,部分地震剪力开始转移到钢筋混凝土框架上,当超过框架的承载力时,框架将会破坏。图1-4-1是都江堰金叶宾馆厨房,为二层内框架结构,汶川地震中外墙破坏严重、局部倒塌,但框架部分基本完好;图1-4-2是璇口镇某四层内框架结构,地震中底层墙体严重破坏,框架柱顶出现水平裂缝。图1-4-3汉旺某学校教学楼,局部内框架结构,底层墙体倒塌,内框架柱完好。
由于内框架房屋属砌体、钢筋混凝土两种不同材料组成的混合结构,在地震时易被各个击破,抗震性能差,2001版《抗震规范》取消了单排柱内框架、底层内框架两类结构形式,2010版《抗震规范》则取消了内框架结构形式。
图1-4-1 金叶宾馆厨房
图1-4-2 璇口镇某四层内框架房屋
图1-4-3某局部内框架底层墙体倒塌框架柱完好
图1-4-4 纵向外墙水平裂缝
⒊单排柱内框架砖房的破坏重于双排柱和多排柱内框架。
单排柱内框架的抗侧刚度较小,水平承载力也较小。此外,外墙破坏后,单排柱框架是不稳定体,不能单独承受水平和竖向荷载。
双排柱的内框架砖房,当两排柱间距离较小、边跨柱距大时,震害严重,因为对于两排柱或多排柱砖房,中间为框架结构,边跨由框架柱和外纵墙承重,外纵墙倒塌后丧失对楼盖的承重能力,当边跨梁跨度较短,可作为短悬臂梁而保存不折断,而大边跨的房屋,常因长悬臂而承载力不足使边跨梁折板落,加重震害。
⒋平面不规则的内框架砖房震害加重
平面不规则房屋由于扭转效应,造成外墙及转角处墙体破坏严重。
⒌横墙间距越大,横墙与山墙以及毗连的纵墙震害加重
内框架房屋由于使用要求有较大空间,砖墙数量较少,却承担着主要的地震作用。横墙间距越大,横墙数量就越少,横墙和山墙会承担过量的地震作用而加重震害,因此必须对横墙的间距加以控制。
横墙间距大,地震时楼盖的水平变形加大,横墙间距内中间的几榀内框架的层间侧移就大,框架柱和外纵墙沿房屋横向的弯曲破坏成为主要的破坏形式,表现为纵墙的窗间墙在洞口上、下标高处的水平裂缝(见图1-4-4)。在中央几段外纵墙破坏后,墙体破坏将一直扩张到靠近横墙的窗间墙。
唐山地震的震害资料表明:8度时间距15m的内框架房屋基本完好,而间距33m的房屋严重破坏;10度时间距15m的内框架房屋能裂而不倒,而间距36m以上的房屋上层倒塌。
6.开(敞)口的内框架砖房震害加重
老旧的内框架房屋,如中部设有变形缝,在变形缝处一般未设双墙(如图1-4-5所示某内框架房屋);山墙或纵墙开洞过大,致使抗剪能力降低,地震时还可能出现扭转效应而破坏。
图1-4-5 带开口墙的内框架结构
⒎下面各层设置内柱、顶层为无内柱的空旷房屋(图1-4-6)震害加重,此类结构在9度区普遍倒塌。底层内框架砖房(图1-4-7),沿结构高度方向是“上刚下柔”,在底层是“外刚内柔”,兼有内框架结构和底层框架结构的特点,极不利于抗震,多数是底层倒塌。
⒏顶层砖墙是最薄弱的环节
⑴外纵墙是顶层破坏最严重的部位,空旷的内框架砖房横墙间距大,楼盖的外甩力使得外纵墙在大梁底面或窗间墙上下端产生水平裂缝,砖砌体局部压碎、崩落,甚至倾斜,倒塌呈现了出平面的弯曲破坏。尤以中段最为严重。同时在纵向地震作用下抗剪承载力不足,出现窗间墙的交叉裂缝。
图1-4-6 内框架房屋顶层抽柱形成空旷房屋
图1-4-7 底层内框架房屋
⑵端横墙也是顶层震害较重的部位,端横墙的窗间墙在横向地震作用下,抗剪承载力不足,出现交叉裂缝。而在纵向地震作用下出现水平裂缝,当端屋盖与山墙连接不牢时,进而向外倾斜,重则连同端开间屋盖向外倒塌。
⑶角部的墙体在6度区就出现V形裂缝,随着烈度的增加,其开裂程度陆续增加并伴有双向错位,甚至墙角倒塌。
⑷墙体的平面外弯曲破坏是上层比下层重,顶层层间地震水平力产生的墙体外倾比下层严重。
⒐底层横墙作为横向主要抗剪构件,常出现交叉或单向斜裂缝,严重时,横墙破碎坍塌,丧失承载能力,导致整个房屋倒塌。特别是由于空间需要,底层减少横墙,其震害更为严重。
⒑各层纵墙出现平面外弯曲、倾斜、倒塌和沿墙面的交叉或单向倾斜裂缝,9度以上,各层墙体倒塌,有的仅残留内框架,楼屋盖因外纵墙倒塌,外侧落地房屋横剖面呈伞状。
⒒内框架柱
内框架的柱顶层弯曲破坏比下层多。由于内框架砖房顶层的墙体常平面外倒塌,残存的框架经受不了屋盖的水平地震力而出现柱端的水平断裂,进而混凝土崩落,重则柱子折断,屋盖塌落。
底层柱在底层墙体破坏后,承受水平地震产生的剪力和弯矩。总体说来框架柱的震害要比周边的砖墙轻。
⒓在墙体内设置钢筋混凝土构造柱的内框架砖房震害显著减轻(www.daowen.com)
墙体内设置钢筋混凝土构造柱,能有效抑制墙体裂缝的开展,提高墙体的抗震承载能力,减轻内框架震害。图4-1中倒塌墙体中未设置构造柱,设置了构造柱的墙体尽管墙体破坏严重,但未倒塌。
⒔高烈度区内,装配式内框架砖房比现浇的破坏程度要重。这主要是因为装配式楼屋盖横墙间的整体性差,纵墙易发生出平面外的弯曲破坏。
4.2 底层框架房屋的震害特征
底层框架砖房上部抗侧移刚度大,底层抗侧移刚度相对减少,抗震性能差。地震作用下,房屋的侧移将集中发生在相对柔弱的底层,过量的侧移引起底层的严重破坏。表现为“上轻下重”。但如果底层过度加强,则导致薄弱层转移至二层,引起过渡层砖墙的破坏。
底层框架砖房的主要震害特征有:
1.底层框架砖房的震害多数发生在底层
图1-4-8 底层墙体破坏严重,框架破坏轻微
图1-4-9 窗间墙水平裂缝
图1-4-10 纵向墙体交叉斜裂缝
⑴底层的砖墙震害最为严重。抗震墙(砌体或钢筋混凝土)是底层主要的抗侧力构件,端横墙和内横墙在8度以下即出现斜裂缝或交叉斜裂缝(见图1-4-8),9度以上随震害加重而破坏,直至倒塌;外纵墙在窗口上、下出现水平裂缝(见图1-4-9、1-4-10),或窗间墙上出现交叉斜裂缝,有时两者兼而有之;外墙转角处出现交叉斜裂缝,严重时墙角塌落。
⑵框架柱
底层框架结构易底层变形集中,框架柱产生不可恢复变形而倾斜(图1-4-11)。一些纯框架结构,底部因使用功能要求需有大空间,而上部楼层为住宅有较多的填充墙布置有较多的填充墙,造成底层刚度小、上部刚度大,形成事实的底层框架结构,底层破坏严重甚至倒塌(图1-4-12)。
框架柱端产生水平裂缝,或局部混凝土压碎崩落、纵筋压屈(图1-4-13、图1-4-14),严重者成灯笼状,在高烈度区底层倒塌,上部几层砖房原地或少有错位整体坐落(图1-4-15、图1-4-16)。
图1-4-11 底层变形集中,框架柱倾斜
图1-4-12框架结构整体下挫,底层倒塌
图1-4-13 底层填充墙倒塌,柱顶混凝土崩落、纵筋压屈
图1-4-14 某六层底框房屋,底层柱底混凝土崩落、纵筋压屈
图1-4-15 某五层底框住宅楼,一层倒塌、倾斜
图1-4-16 某五层底框住宅楼,底部两层完全倒塌
⒉过渡层震害
多数情况下,底层框架结构因底层变形集中而震害严重,上部各层的震害较轻,因此要求部分墙体落地作为砌体抗震墙,或改为钢筋混凝土抗震墙。汶川地震中发现,如果底层过度加强,刚度较大、承载力较高,有可能导致薄弱层转移至二层(过渡层),造成过渡层及以上楼层墙体的破坏(图1-4-17),严重者二层倒塌,上部楼层整体下挫,图1-4-18为玉树地震中某商住楼过渡层倒塌,上部楼层纵横墙未咬槎砌筑,整体性较差,外墙倒塌。图1-4-19为玉树地震中某底框结构过渡层尽端支承悬挑阳台的墙体倒塌,上部各层局部坍塌。
图1-4-17 过渡层破坏震害照片
图1-4-18 玉树地震过渡层倒塌,纵横墙未咬槎砌筑,构造柱间距大,纵墙外闪
图1-4-19 玉树地震过渡层墙体开裂,角部墙体倒塌,使上部各层局部坍塌
⒊平面布置不规则结构的震害加重
底层框架房屋的上部楼层的墙体布置一般比较匀称,但底层常因大空间的需要,墙体间距大小不同,有时底层房屋一端布置楼、电梯间,另一端却很空旷;或临街一面为底层框架、背街一面是多层砖房组成的混杂底层框架结构。竖向布置本不规则的底框结构,加上平面不规则的扭转影响,使震害加重。
图1-4-20为一临街把角的底层框架房屋,平面呈L型,汶川地震中转角处的框架柱严重破坏,柱端混凝土压溃散落、纵筋压屈呈灯笼状,所幸房屋未倒塌。本工程也表明,对于梁端竖向加腋的情况,柱端的箍筋加密区应相应延长。图1-4-21为某底层框架房屋,汶川地震进行了改造,拆除了一端的填充墙,造成底层墙体布置的不均匀,地震中拆除墙体一侧的房屋整体跨塌,未拆除墙体一侧的房屋未倒塌。本工程表明,填充墙对主体结构的影响应予以高度重视,填充墙的拆改应经有经验结构设计人员综合分析并认可后方可实施。
图1-4-20 平面不规则底框结构震害严重
图1-4-21 不合理的改造致使房屋倒塌
4、顶层刚度突变的震害
个别建筑由于顶层需要大空间,或者立面造型需要,平面局部收进,造成顶层刚度和强度突变,在地震作用下发生破坏。图1-4-22为地震时玉树州农业银行顶层纵横向墙体发生剪切破坏,部分纵墙外闪,夹心墙甩出;在楼层平面缩进处,墙体发生剪切破坏。
图1-4-22 顶层收进的震害
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