强震下增强抗倒塌能力和整体性的砌体结构及方法

技术领域

本发明涉及一种强震下增强抗倒塌能力和整体性的砌体结构及方法，可应用于普通砖砌体、混凝土砌块等砌体结构，它能有效增强砌体结构在强震下的抗倒塌能力、提高砌体结构的整体性。

背景技术

砌体结构目前是我国房屋建筑的主要结构型式之一。一般作为居住、办公、学校、医院等民用与公共建筑，在今后相当长一段时间内，仍然具有十分广泛的应用价值。由于砌体结构的材料和构造方式，其抵抗水平荷载的能力远低于其抵抗竖向荷载的能力。在地震作用下，砌体墙发生水平裂缝和交叉裂缝，墙体破坏并有平面外错位甚至局部崩塌，这直接降低了墙体的竖向承载力。对于无筋砌体，当墙体发生斜裂缝后，很快就形成贯通的对角裂缝，墙体脆性破坏，破坏前没有明显的塑性变形，之后，水平剪力主要通过裂缝间微小的摩擦来承担。

目前，设置钢筋混凝土构造柱和圈梁，是提高砌体结构抗震性能和整体性普遍采用的措施。砌体结构设计规范对构造柱和圈梁的设置和构造方式作了详细的规定。构造柱和圈梁对墙体的约束作用，使得墙体在发生开裂后，并不立刻整体倒塌，裂缝仍然沿对角方向继续发展，直到构造柱端产生斜裂缝破坏，墙体失去约束，结构变成几何可变体系，才可能发生整体倒塌破坏。这种倒塌的最后防线是构造柱与圈梁形成的弱框架。构造柱的设置不仅提高了墙体本身的延性，而且提高了墙体的稳定性和抗倒塌能力。

但是，虽然墙体周围由构造柱和圈梁对其形成一定的变形约束，由于构造柱和圈梁形成的弱框架结构刚度低，抵抗水平荷载的能力很有限，在遭遇较大地震作用时，其节点很容易产生塑性铰而形成机构，即几何可变体，墙体随即倒塌破坏。地震作用下，约束墙体发生倒塌往往表现为两种形式，一种为面内受力倒塌，这时首先是因墙体材料强度不足而开裂，裂缝开展使得墙体局部退出工作，因此，墙体开裂后，约束墙体的构造柱和圈梁相对而言承受更大的内力，直至弱框架破坏，墙体变为几何可变体，墙体方倒塌；第二种形式是墙体面外受力，目前结构构造上仅通过与构造柱的拉结钢筋将荷载传递至两侧垂直墙体，其对墙体维护几何形状作用很小，因此，墙体承受平面外水平荷载时极易失稳，抗倒塌能力非常低。如何提高砌体结构在强震下的抗倒塌能力和整体性是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种强震下增强抗倒塌能力和整体性的砌体结构与方法。

对抗震设防六度以上的多层砖砌体结构和小砌块结构，均要求设置构造柱和圈梁。本发明的发明构思是：在砌体结构设置构造柱和圈梁的基础上，在相邻的上层圈梁和下层圈梁之间的墙体内，相邻的两根构造柱之间设置一组以上交叉的加强钢筋，每组交叉的加强钢筋分别位于一个矩形或梯形的对角线位置，加强钢筋的下端与下层圈梁内的U型预埋件连接，上端锚固在上层圈梁或相应的构造柱的钢筋内，为构造柱和圈梁形成的弱框架加设交叉支撑，使得结构的水平受力体系由原来的单一弱框架变为弱框架加桁架的多防线体系，增强了结构的抗倒塌能力。在这样的体系中，即使是构造柱与圈梁之间的刚性连接破坏成为铰接，体系也照样成立。只有在钢筋拉断、构造柱和圈梁的连接同时破坏的情况下，结构才变成几何可变体系，从而房屋倒塌。

根据构造柱的布置位置，在相邻构造柱间距较大的墙体内设置多组加强钢筋，每组加强钢筋包含两道斜向交叉分布的钢筋，该加强钢筋与原有构造柱及圈梁形成类似桁架结构的体系。当传来平面内水平荷载时，与荷载方向一致的加强钢筋产生拉力，抵抗水平荷载，延缓框架形成机构破坏的过程；当传来平面外水平荷载时，该加强钢筋在相邻构造柱之间产生拉结作用，使得直接承受荷载的墙体通过钢筋的拉结而获得周围梁柱和墙体的支持，增强了平面外抗倾覆的能力，提高了结构的整体抗震性能。

为实现上述目的，本发明所采取的具体技术方案是：

本发明强震下增强抗倒塌能力和整体性的砌体结构为：在相邻的上层圈梁和下层圈梁之间的墙体内，相邻的两根构造柱之间砌有一组以上钻孔砖，每一组钻孔砖含有第一排钻孔砖和第二排钻孔砖，第一排钻孔砖的各钻孔砖的孔道中心线即第一孔道中心线重合，第二排钻孔砖的各钻孔砖的孔道中心线即第二孔道中心线重合，第一孔道中心线与第二孔道中心线斜向分布且相互交叉。第一排钻孔砖和第二排钻孔砖的孔道内各自贯穿有加强钢筋，加强钢筋的下端固定连接有U型预埋件，U型预埋件埋置于所述下层圈梁内，加强钢筋的上端锚固在上层圈梁或相应的构造柱的钢筋内。

进一步地，本发明在每组钻孔砖中，第一孔道中心线与第二孔道中心线分别位于一个矩形或梯形的对角线位置。

进一步地，本发明钻孔砖的孔道为斜孔。

本发明强震下增强砌体结构抗倒塌能力和整体性的方法包含如下步骤：

(1)绑扎底层圈梁及构造柱的钢筋，在底层圈梁的锚固位置预埋U型预埋件，浇注底层圈梁及构造柱混凝土。

(2)在浇注好的圈梁上砌筑墙体，在墙体内于相邻的两根构造柱之间自其底端至顶端砌有一组以上钻孔砖。在每组钻孔砖中，含有第一排钻孔砖和第二排钻孔砖，第一排钻孔砖的各钻孔砖的孔道中心线即第一孔道中心线重合，第二排钻孔砖的各钻孔砖的孔道中心线即第二孔道中心线重合。第一孔道中心线与第二孔道中心线斜向分布且相互交叉，且各自与相应的U型预埋件相交，在第一孔道中心线与第二孔道中心线的交叉位置设有预留洞口。

(3)在第一排钻孔砖和第二排钻孔砖的孔道内插入加强钢筋，将加强钢筋的下端与圈梁U型预埋件焊接，焊接之后，从加强钢筋上端对其施加预应力，施加完后将钢筋上端锚固在墙体的顶端且从该墙体的顶端伸出，留出部分需满足伸入墙体上端的圈梁或构造柱的钢筋内的锚固长度。

(4)绑扎该层墙体顶部的圈梁及构造柱的钢筋，将加强钢筋的由该层墙体的顶端伸出的部分锚固在墙体上端的圈梁或构造柱的钢筋内。

(5)在该层墙体顶部圈梁的锚固位置预埋U型预埋件，浇注该层墙体顶部的圈梁及构造柱混凝土，再重复实施步骤(2)至步骤(5)砌筑上一层墙体直至顶层墙体。

进一步地，本发明在每组钻孔砖中，第一孔道中心线与第二孔道中心线分别位于一个矩形或梯形的对角线位置。

进一步地，本发明钻孔砖的孔道为斜孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在砌体结构墙体内砌筑一组以上交叉的钻孔砖，每组交叉的钻孔砖内部形成两道相互交叉且贯通的孔道，每组交叉的孔道的中心线分别位于一个矩形或梯形的对角线位置。在每个贯通的孔道中插入加强钢筋，钢筋的两端与构造柱或圈梁相连，由此在每层相邻圈梁和构造柱之间形成了一组或多组交叉支撑，一方面将构造柱和圈梁形成的弱框架转变为桁架受力体系，使其墙体破坏的防线转化为弱框架加桁架的多防线体系，延缓破坏机构形成的过程，提高了墙体平面内抵抗水平荷载的能力；另一方面在墙体内设置拉结钢筋，为墙体在平面外方向提供类似索网作用，增强其抵抗平面外水平荷载的能力。因此，对比现有仅设置构造柱与圈梁的砌体结构，本发明无论从平面内还是从平面外都能有效增强砌体结构抵抗水平荷载的能力，维持砌体结构在强震下的几何不变能力，这对于可能遭遇地震的砌体结构有着重要的意义。采用本发明强震下增强抗倒塌能力和整体性的砌体结构及方法，提高了砌体结构的抗倒塌能力和整体性，延缓砌体结构在强震下的倒塌破坏过程，为房间内的人群逃生争取宝贵的时间，并且施工可行，不影响建筑的美观和墙面装饰。

附图说明

为了更加明确、清晰地表明本发明的内容，下面结合附图和实施步骤进一步说明。

图1是现有砌体结构局部平面布置图。

图2是本发明在相邻两构造柱间设置一组加强钢筋后结构立面示意图。

图3是本发明在相邻两构造柱间设置多组加强钢筋后结构立面示意图。

图4是本发明在相邻两构造柱间设置一组加强钢筋后弱桁架受力示意图。

图5是本发明在相邻两构造柱间设置两组加强钢筋后弱桁架受力示意图。

图6是本发明墙体局部立面示意图。

图7是本发明加强钢筋下端与构造柱的连接示意图。

图8是本发明加强钢筋上端与构造柱的连接示意图。

图9是本发明加强钢筋下端与圈梁的连接示意图。

图10是本发明加强钢筋上端与圈梁的连接示意图。

图11是本发明预制钻孔砖示意图。

图12是图11的A-A断面图。

图13是图11的B-B断面图。

图中，1.纵墙，2.横墙，3.构造柱，4.圈梁，41.上层圈梁，42.下层圈梁，51.第一加强钢筋，511.第一加强钢筋上端伸出墙体部分，52.第二加强钢筋，521.第二加强钢筋上端伸出墙体部分，6.预制钻孔砖，7.预留洞口，8.U型预埋件，9.构造柱钢筋，10.圈梁钢筋，11.钢筋张拉锚板，12.钻孔砖内部孔道，121.第一孔道中心线，122第二孔道中心线，12a.钻孔砖底面孔洞，12b.钻孔砖顶面孔洞。

具体实施方式

图1为现有砌体结构局部平面布置图。纵墙1与横墙2的交接处均设置构造柱3，且上下贯通。由于纵墙1与横墙2的长度不同，且不同结构抗震设防烈度要求设置不同间距的构造柱3，因此，构造柱3的间距并不固定。如图1所示，纵墙1中布置的构造柱3间距与层高相同，横墙2中布置的构造柱3间距较层高大。

图2为本发明在相邻两构造柱间设置一组加强钢筋后结构立面示意图。楼面与墙体连接处设置圈梁4。根据纵墙1中构造柱3间距与层高关系，在相邻两构造柱间设置一组交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52。第一加强钢筋51和第二加强钢筋52的端部与对应的构造柱3的端部连接，每层纵墙1中两构造柱3之间均如此设置。

图3为本发明在相邻两构造柱间设置多组加强钢筋后结构立面示意图。横墙2中构造柱3间距高于层高，在两柱之间设置两组交叉的钻孔砖6，从而相应地有两组交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52。交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52端部分别与构造柱3和圈梁4连接，每层均如此设置。这样做的目的在于，若在不同间距的相邻构造柱3间均设置一组交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52，整幢建筑第一加强钢筋51和第二加强钢筋52的斜置角度将有多种变化。为施工方便，对构造柱距在3m～5m之间的墙体设置一组交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52，柱距超过5m的墙体设置多组交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52，每组加强钢筋交叉角度固定，这样对于砌体结构的施工更为方便。

图4及图5分别为本发明在相邻两构造柱间设置一组和多组加强钢筋后弱桁架受力示意图。由构造柱3和圈梁4形成的弱框架增加了第一加强钢筋51和第二加强钢筋52提供的交叉支撑作用，当左边水平荷载传来时，第一加强钢筋51产生拉力，抵抗水平荷载，当右边水平荷载传来时，第二加强钢筋52产生拉力，抵抗水平荷载。

图6为本发明墙体局部立面示意图。墙体中砌有两排斜向交叉的钻孔砖6，第一加强钢筋51沿第一孔道中心线121穿过，第二加强钢筋52沿第二孔道中心线122穿过。并且在第一加强钢筋51和第二加强钢筋52相互交叉的位置设有预留洞口7，以减小穿筋的困难和这些部位墙体砌筑的困难。钻孔砖6的周围砌块照常砌筑，同时做一些小调整以注意避免通缝的形成。

图7是本发明加强钢筋下端与构造柱的连接示意图。在结构砌筑过程中，下一层的圈梁4和构造柱3浇好之后再砌筑上一层墙体。当相邻构造柱间设置一组第一加强钢筋51和第二加强钢筋52时，钢筋下端将锚固在该层构造柱3底端。下层已浇筑构造柱3顶端埋置一U型预埋件8，第一加强钢筋51和第二加强钢筋52穿过孔道焊接在该预埋件8上。

图8是本发明加强钢筋上端与构造柱的连接示意图。第一加强钢筋51和第二加强钢筋52下端连接完成后，用张拉工具从上端施加一定预应力(约0.35f_y)，用张拉锚板11锚固在孔道端处的墙体上。张拉完成后，将第一加强钢筋上端伸出墙体部分511和第二加强钢筋上端伸出墙体部分521伸入构造柱钢筋9内部，并留置一定锚固长度，待最后构造柱3浇注时与其形成整体。

图9是本发明加强钢筋下端与圈梁的连接示意图。当相邻构造柱间设置一组以上交叉的第一加强钢筋51和第二加强钢筋52时，第一加强钢筋51和第二加强钢筋52除与构造柱3连接外，还将与圈梁4连接。其下端锚固在下层圈梁3上，下层圈梁3在上层墙体砌筑前浇注，在钢筋要锚固的位置埋置一U型预埋件8，待墙体砌筑后第一加强钢筋51和第二加强钢筋52穿过墙体即与该预埋件焊接。

图10是本发明加强钢筋上端与圈梁的连接示意图。第一加强钢筋51和第二加强钢筋52下端连接好之后，其上端也用张拉工具施加0.35f_y左右的预应力，并锚固在孔道端部的墙体上，张拉完成后，第一加强钢筋上端伸出墙体部分511和第二加强钢筋上端伸出墙体部分521伸入圈梁钢筋10内部，留置一定锚固长度，待圈梁4浇注时形成整体。

图11是本发明预制钻孔砖示意图。为达到在墙体内设置交叉钢筋的目的，第一加强钢筋51和第二加强钢筋52通过的砌体均需要预先打孔。作为本发明的一种实施方式，在工厂预制一类钻孔砖6，其尺寸与普通砖一致，内部孔道12位于钻孔砖6中部，孔道12的倾斜角度与第一加强钢筋51和第二加强钢筋52在墙体内的倾斜角度一致，砌筑时上下层钻孔砖底面孔与顶面孔对齐，周围砖砌体照常砌筑，并可做一些小调整，注意与上下灰缝错开，避免形成通缝。

本发明强震下增强砌体结构抗倒塌能力和整体性的方法可按照以下步骤实施：

(1)参看图7和图9，绑扎底层圈梁钢筋10及构造柱钢筋9，在底层圈梁4的锚固位置预埋U型预埋件8，浇注底层圈梁4及构造柱3的混凝土。

(2)参看图2、图3和图6，在圈梁4上砌筑墙体，在墙体内于相邻的两根构造柱3之间自其底端至顶端砌有一组以上钻孔砖6。在每组钻孔砖6中，含有第一排钻孔砖和第二排钻孔砖，第一排钻孔砖的各钻孔砖的第一孔道中心线121重合，第二排钻孔砖的各钻孔砖的第二孔道中心线122重合，第一孔道中心线与第二孔道中心线斜向分布且相互交叉，所述第一孔道中心线和第二孔道中心线各自与相应的U型预埋件相交，如此相应地使得穿过每组钻孔砖6的加强钢筋51和加强钢筋52斜向分布且相互交叉。在第一孔道中心线与第二孔道中心线的交叉位置设有预留洞口7，如此处理的目的在于减小穿筋的困难和这些部位墙体砌筑的困难。待第一加强钢筋51和第二加强钢筋52锚固完成后，用水泥砂浆及小砖块填实。如图4和图5所示，由构造柱3和圈梁4形成的弱框架增加了第一加强钢筋51和第二加强钢筋52提供的交叉支撑作用，当左边水平荷载传来时，第一加强钢筋51产生拉力，抵抗水平荷载，当右边水平荷载传来时，第二加强钢筋52产生拉力，抵抗水平荷载。

钻孔砖6均为工厂预制。实际工程中，只要能满足交叉加强钢筋穿过墙体与圈梁及构造柱相连，且墙体砌筑安全，钻孔砖的大小、孔道设置可由技术人员灵活处理。作为本发明的一种实施方式，如图6、图11-13所示，钻孔砖6的尺寸与普通砖一致，内部孔道12位于钻孔砖6中部，且为斜孔，孔道12的倾斜角度与第一加强钢筋51和第二加强钢筋52在墙体内的倾斜角度一致。若加强钢筋直径选用14mm一级钢筋，则孔道12直径为20mm。砌筑时上下层钻孔砖底面孔洞12a与顶面孔洞12b对齐，周围砖砌体照常砌筑，并可做一些小调整，注意与上下灰缝错开，避免形成通缝。

(3)参看图7和图10，第一加强钢筋51和第二加强钢筋52分别沿第一孔道中心线121和第二孔道中心线122插入钻孔砖孔道内，将第一加强钢筋51和第二加强钢筋52的下端与U型预埋件焊接8，并施加预应力(0.35f_y左右，f_y为钢筋的设计强度)。张拉完成后，将第一加强钢筋51和第二加强钢筋52锚固在该层墙体的顶端且从该墙体的顶端伸出。

(4)参看图8和图9，绑扎该层墙体上部的圈梁钢筋10及构造柱钢筋9，将第一加强钢筋上端伸出墙体部分511和第二加强钢筋上端伸出墙体部分521锚固在圈梁钢筋10或构造柱钢筋9内。

(5)参看图7和图9，在所述墙体的圈梁4的锚固位置预埋U型预埋件8，浇注所述墙体的圈梁4及构造柱3的混凝土，再重复实施步骤(2)至步骤(5)砌筑上一层墙体直至顶层墙体。

由此，如图2和图3所示，按本发明上述方法得到的砌体结构如下：在相邻的上层圈梁41和下层圈梁42之间的墙体内，相邻的两根构造柱3之间砌有一组以上钻孔砖6，每一组钻孔砖6含有第一排钻孔砖和第二排钻孔砖，第一排钻孔砖的各钻孔砖的孔道中心线即第一孔道中心线重合，第二排钻孔砖的各钻孔砖的孔道中心线即第二孔道中心线重合，第一孔道中心线与第二孔道中心线斜向分布且相互交叉；第一排钻孔砖和第二排钻孔砖的孔道内各自贯穿有加强钢筋51和加强钢筋52，加强钢筋51和加强钢筋52的下端固定连接有U型预埋件，而U型预埋件埋置于下层圈梁42内，加强钢筋51和加强钢筋52的上端锚固在上层圈梁41或相应的构造柱的钢筋内。

作为本发明的优选实施方式，如图2和图3所示，在每组钻孔砖中，第一孔道中心线与第二孔道中心线分别位于一个矩形对角线位置，从而使得加强钢筋51和加强钢筋52也分别位于一个矩形或梯形的对角线位置。由此，加强钢筋与圈梁4和构造柱3形成受力有效的桁架结构，从结构的受力上来说，对比仅仅交叉而非处于矩形或梯形的对角线位置的加强钢筋，处于矩形或梯形的对角线位置的加强钢筋产生的拉力能更多的转化为水平抵抗作用，从而使结构抵抗水平荷载的能力更强。同理，第一孔道中心线与第二孔道中心线分别位于一个梯形的对角线位置，从而使得加强钢筋51和加强钢筋52也分别位于一个梯形的对角线位置。

对比现有设置构造柱与圈梁的砌体结构，本发明提高了在强震作用下结构的抗倒塌能力和整体性，并且施工可行，不影响建筑的美观和墙面装饰，可以应用于实际工程中，在砌体结构抗震中发挥有效的作用。