《土木防灾减灾》第三讲 · 砌体与框架结构震害及抗震设计

2026-09-24 课程笔记

0 本讲定位

• 承接上一讲结构抗震基础知识（三水准设防目标、反应谱、概念设计），本讲进入具体结构体系
• 两条主线：砌体结构与钢筋混凝土框架结构
• 每个体系都从震害现象讲起，分析震害原因，再给出抗震设计一般规定与构造措施

1 砌体结构：材料特性与总体震害

1.1 砌体为什么抗震性能差

无筋砌体 = 脆性材料
抗拉、抗弯、抗剪强度低
        ↓
未经合理抗震构造的砌体房屋 → 抗震性能差
        ↓
地震中墙体出现斜裂、交叉裂缝 → 脆性破坏，变形能力小

1.2 未经设防砌体房屋的震害与烈度统计

结论：未经抗震设防的多层砖房抗震性能差；震害程度随烈度增大而迅速加重。

正面对照： 天津市某 7 度抗震设防区的住宅震害统计表明，经合理设防后，震后主体结构基本完好者达到 70% 以上，未出现倒塌。

【结论】经过抗震设防，只要设计合理得当、保证施工质量，可以明显减轻砌体结构的震害，减少严重破坏和倒塌。

1.3 砌体房屋的主要震害部位

2 多层砌体房屋抗震设计一般规定

2.1 结构布置要求

1. 优先采用横墙承重，或纵横墙共同承重的体系
2. 纵横墙布置应均匀对称：沿平面对齐、沿竖向在同一轴线上连续
3. 窗间墙宽度应均匀，避免刚度突变
4. 避免采用对抗震不利的体型与构件布置

2.2 防震缝的设置

房屋有下列情况之一时，必须设置防震缝，且缝的两侧均应设置墙体：

1. 房屋立面有高差或错层
2. 各部分（单元）的房屋高度或层数相差较大
3. 体型复杂且未在计算和构造上采取相应措施

缝宽根据房屋高度等情况确定，一般可取 70～100 mm。

2.3 房屋高度与层数限制

多层砌体房屋的抗震承载力取决于：

墙体承载截面（墙率） + 砌筑砂浆强度等级 + 结构整体性
+ 施工质量 + 抗震构造措施 + 房屋总高度与层高

一般规定：

• 房屋总高度、层数限值随烈度增大而收紧
• 医院、教学楼等洞口多、横墙少（墙体少）的房屋：高度与层数限值按对应烈度的数值降低一度采用
• 层高也应控制，如小砌块房屋层高不宜超过 3.6 m

2.4 最大高宽比与抗震横墙间距

• 最大高宽比限值随烈度增大逐渐降低（Ⅵ度最宽、Ⅸ度最严）；房屋平面接近正方形时受力更有利
• 抗震横墙最大间距：横墙既是抗剪墙体，又是楼（屋）盖水平荷载的支点。间距限值：
  • 随烈度增大而减小
  • 与楼（屋）盖类别（现浇 / 装配整体式等）有关
  • 必须满足楼（屋）盖传递水平地震作用对刚度的要求

2.5 房屋局部尺寸限制

【规律】随烈度增高，对墙段局部尺寸的要求越来越严（各项限值随烈度加大）。

【易错】局部尺寸限制体现的是"概念设计"思路：不靠计算，而是靠几何限值防止墙角、洞口边等薄弱环节先坏。

3 砌体房屋抗震构造措施：构造柱与圈梁

圈梁：

1. 沿屋檐（屋顶）、楼层标高等位置水平封闭设置
2. 维持楼（屋）盖平面内刚度，把房屋箍成一个整体
3. 约束墙体裂缝开展，防止墙块开裂后散架外闪

构造柱：

1. 设置在外墙转角、内外墙交接处等薄弱部位
2. 先砌墙、后浇柱，与墙体通过马牙槎咬合连接
3. 上下锚固于圈梁，形成竖向约束

协同工作机理：

圈梁（水平封闭箍） + 构造柱（竖向约束） → 节点连接成整体
        ↓
形成对砌体的"弱框架"式约束
        ↓
墙体开裂后仍被约束住 → 延性、整体性提高 → "裂而不倒"

【考点】构造柱对墙体承载力的贡献，设计时一般不作为主要抗剪构件考虑；它的作用是在墙体开裂后提供约束，提高延性与整体性。

4 框架结构震害（构件层面）

钢筋混凝土框架的主要震害有五类：柱头柱脚破坏、短柱破坏、角柱破坏、梁柱节点破坏、框架梁破坏。

4.1 柱头、柱脚破坏

震害表现（汶川地震）： 多层框架柱端弯剪破坏普遍；底层空旷、填充墙较少时更严重，表现为柱端混凝土压碎、钢筋裸露、纵筋压屈或拉断、柱折断。

柱头破坏机理：

节点处柱端内力大（弯矩 + 剪力 + 轴压力联合作用）
    ↓
柱顶周围出现水平裂缝、斜裂缝、交叉裂缝
    ├─ 正常情况：纵筋屈服 → 塑性铰（延性破坏，吸收较大地震能量）
    ├─ 轴压比较大、箍筋约束不足、混凝土强度不足
    │      → 柱端混凝土压碎 → 影响抗剪能力 → 柱顶剪切破坏
    ├─ 竖向荷载过大而截面过小、混凝土强度不足
    │      → 纵筋压屈呈"灯笼状"、箍筋拉断或脱落 → 压屈失稳，失去承载力
    └─ 柱顶配箍不足或未配箍 → 脆性剪切破坏

柱脚破坏：

• 表现：柱底混凝土保护层部分脱落，主筋及箍筋外露，底层柱倾斜，水平与斜裂缝互相交叉
• 原因：结构中存在薄弱层，地震时薄弱层变形过大，柱底形成塑性铰破坏

4.2 短柱破坏

定义： 柱的剪跨比偏小，或柱净高与柱截面高度之比不大于 4 时，即属短柱。

机理： 短柱刚度大 → 分担的地震剪力大 → 易发生脆性剪切破坏（斜裂、交叉裂缝呈 X 形）。

典型成因： 填充墙布置不合理，把普通柱"夹"成短柱。

【易错】短柱不是"矮柱子"的名字，而是净高/截面高度 ≤ 4（或剪跨比小）的受力概念；剪跨比宜大于 2。

4.3 角柱破坏

• 角柱双向受弯、受剪，再加扭转作用，受力比内柱复杂
• 震害表现：柱身错动，钢筋从柱内拔出
• 震害比内柱更严重，设计时角柱应加强

4.4 梁柱节点破坏

受力机理： 地面运动反复作用下，节点受力十分复杂。

4.5 框架梁破坏

• 震害大多发生在梁端；剪切破坏重于弯曲破坏
• 抗弯承载力不足出现垂直裂缝的破坏较少见，梁端出现斜裂缝破坏较多
• 强震下梁端产生交变正负弯矩和剪力，数值大；截面承载力不足时出现上下贯通垂直裂缝和交叉斜裂缝，梁端形成塑性铰直至破坏

4.6 小结

5 框架结构抗震设计一般要求（七个方面）

最大高度、最大高宽比、抗震等级、结构选型与布置、防震缝、屈服机制、基础结构。

5.1 最大适用高度

房屋愈高，所受地震力和倾覆力矩愈大，破坏可能性愈大。最大高度规定综合考虑抗震性能、地基条件、震害经验、抗震设计经验和经济性。平面和竖向不规则的结构，最大适用高度宜适当降低。

现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m）：

【考点】9 度区严禁采用部分框支抗震墙、板柱—抗震墙体系；纯框架限 24 m。

5.2 最大高宽比

高宽比愈大，地震下侧移和基底倾覆力矩愈大；巨大倾覆力矩在底层柱和基础中产生的拉、压力较难处理。为防止倾覆、保证抗震稳定性，必须限制高宽比（按结构体系和烈度确定）。

钢筋混凝土房屋最大高宽比：

5.3 抗震等级

• 定义： 抗震等级是确定结构构件抗震计算（指内力调整）和抗震措施的标准
• 依据：设防类别、烈度、房屋高度、结构类型及构件在结构中的重要程度
• 共四级，一级抗震要求最高；烈度愈高、房屋愈高，抗震等级愈严
• 丙类建筑的抗震等级按规范表选用（表见规范正文）

5.4 结构选型和布置

（1）合理选择结构体系

典型震害提示：框架中砖填充墙常在框架仅轻微损伤时就严重破坏（刚度大的非结构构件先坏）。

（2）避振——周期错开

房屋基本自振周期 T1 与地震动卓越周期 Tg：宜使 T1 ≈ (1.5～4.0) Tg，避免共振
T1 过短（刚度过大）→ 地震作用增大、造价增加
T1 过长（结构过柔）→ 变形过大
就体系而言：框架周期最长 > 框架—抗震墙 > 抗震墙最短

（3）布置要求

1. 框架、抗震墙均宜双向设置，以抵抗任意方向地震
2. 梁与柱、柱与抗震墙中线宜重合；柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线的偏心距不宜大于柱宽的 1/4，避免偏心对节点核心区和柱产生扭转的不利影响
3. 甲、乙类建筑及高度大于 24 m 的丙类建筑不应采用单跨框架；不大于 24 m 的丙类建筑不宜采用
4. 砌体填充墙在平面和竖向布置均匀对称，避免形成薄弱层或短柱；宜与梁柱轴线位于同一平面内，并与柱有可靠拉结
5. 加强楼盖整体性：9 度区应采用现浇楼面；房屋高度超过 50 m 宜采用现浇；不超过 50 m 可用装配整体式（宜用叠合梁与整浇层结合）

5.5 防震缝

为什么要设缝： 相邻建筑物碰撞在历次地震中一再发生，原因是相邻建筑间或同一建筑相邻单元间缝隙不满足防震缝要求（宽度偏小）、未考虑抗震、构造不当或对实际位移估计不足。

设置原则： 高层建筑设缝会给建筑、结构、设备设计和基础防水带来困难，宜通过调整平面形状尺寸、构造与施工措施尽可能不设缝；下列情况应设防震缝，将建筑划分为若干简单独立单元：

1. 体型复杂、平立面特别不规则，又未在计算和构造上采取相应措施
2. 房屋长度超过规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施
3. 地基土质不均匀，各部分预计沉降量（含震陷）相差过大
4. 各部分质量或结构抗推刚度悬殊过大

缝宽要求（框架结构，含设少量抗震墙的框架）：

高度 ≤ 15 m：缝宽不小于 100 mm
高度 > 15 m：6、7、8、9 度分别每增加 5m、4m、3m、2m，加宽 20 mm
缝两侧结构类型不同：按需要较宽缝的类型和较低房屋高度确定

8、9 度区缝两侧层高相差较大时：缝两侧框架柱箍筋沿全高加密，并视需要在缝两侧沿全高各设置不少于两道垂直于防震缝的抗撞墙；抗撞墙布置应避免加大扭转效应，长度可不大于 1/2 层高，抗震等级可同框架结构；框架构件内力按设置与不设置抗撞墙两种模型的不利情况取值。

5.6 屈服机制（概念设计核心）

多、高层钢筋混凝土房屋的屈服机制分为总体机制、楼层机制及二者组合的混合机制。

较合理的框架破坏机制：

节点基本不破坏
梁铰先出现、多出现（梁比柱屈服早且多）
同一层各柱两端屈服历程延长
底层柱底塑性铰最晚形成
        ↓
设计体现：强柱弱梁、强剪弱弯
手段：控制柱的轴压比和剪压比，增加结构延性

框架—抗震墙与抗震墙结构：抗震墙塑性屈服宜产生在墙底部，连梁宜在梁端屈服。

【考点】增强承载力要与刚度、延性要求相适应：不当地加强某一部位，可能造成另一部分相对更薄弱；任意加强配筋、施工中以高强钢筋替换原设计主筋的做法必须慎重。

5.7 基础结构

• 罕遇地震下大多数结构进入非弹性状态，基础的抗震设计要求：在保证上部结构耗能机制的条件下，将上部屈服机制形成后的最大作用（弯矩、剪力、轴力）传到地基，此时基础本身仍处于弹性
• 单独柱基：适用于层数不多、地基土质较好的框架
• 交叉梁带形基础、筏式基础：适用于层数较多的框架

下列情况之一时，宜沿两主轴方向设置基础系梁：

1. 一级框架和 Ⅳ 类场地的二级框架
2. 各柱基底在重力荷载代表值作用下压应力差别较大
3. 基础埋置较深，或各基础埋深差别较大
4. 地基主要受力层内有软弱黏性土层、液化土层或严重不均匀土层
5. 桩基承台之间

目的： 加强基础整体工作，减少基础间相对位移、地震引起的柱端弯矩和基础转动。

6 课堂问答：什么是"强柱弱梁"

师问： 强柱弱梁是什么意思？ 生答（半对）： 柱的强度设计得高一点；柱直接受压，梁是受弯的，影响小一点。 课堂补充（关键在整体影响）：

柱破坏 → 整层/整楼失去竖向承载 → 结构整体倒塌
梁破坏 → 只影响局部 → 结构仍站得住
        ↓
所以内力调整时让柱的受弯承载力大于梁
把塑性铰"赶"到梁端：梁先屈服耗能，保住柱子

【必考概念】强柱弱梁 = 通过柱端弯矩增大系数等内力调整，保证梁端先于柱端屈服，形成梁铰耗能机制，防止柱铰机制导致楼层倒塌。它与轴压比、剪压比控制共同构成框架抗震概念设计。

7 复习要点总结

必背知识点：

1. 砌体震害规律：Ⅵ度基本完好 → Ⅶ度轻微（部分中等）→ Ⅷ度多处中等 → Ⅸ度多处严重 → Ⅹ度以上多数倒毁
2. 砌体抗震不利根源：脆性材料，抗拉、抗弯、抗剪强度低
3. 砌体五大震害：墙体斜裂/交叉裂、墙角破坏、楼梯间破坏、纵横墙连接破坏、附属构件破坏
4. 构造柱 + 圈梁：水平封闭 + 竖向约束，形成"弱框架"约束，裂而不倒；构造柱先砌墙后浇柱、马牙槎连接
5. 砌体一般规定：横墙承重优先、缝两侧布墙、高宽比与横墙间距随烈度收紧、局部尺寸限制
6. 框架五大震害：柱端、短柱（净高/柱宽 ≤ 4，脆性剪切）、角柱（双向弯剪扭，重于内柱）、节点核心区、梁端
7. 框架七个一般要求：最大高度、高宽比、抗震等级、选型布置、防震缝、屈服机制、基础
8. 框架 6～9 度最大高度：60/50/40/35/24 m；9 度禁用部分框支抗震墙、板柱—抗震墙
9. 防震缝宽度：≤15 m 不小于 100 mm；>15 m 按烈度每 5/4/3/2 m 加宽 20 mm
10. 概念设计：强柱弱梁、强剪弱弯；控制轴压比、剪压比；T1 = (1.5~4.0)Tg 避免共振

重要案例：

• 汶川地震砌体房屋：教学楼、实验室纵墙交叉裂缝严重，楼梯间大量破坏
• 汶川多层框架：底层空旷、填充墙少 → 柱端弯剪破坏普遍而严重
• 唐山地震：横向惯性力大时墙体与附属构件外闪、坠落
• 天津 7 度设防住宅：设防后基本完好 70% 以上、无倒塌，是设防有效的正面证据

易错点提醒：

• 短柱按净高与截面高度之比 ≤ 4（或剪跨比小）判定，与绝对高度无关
• 柱端塑性铰是延性破坏可耗能；配箍不足时变脆性剪切/压屈，箍筋是关键
• 角柱震害比内柱重（双向弯 + 扭转）
• 填充墙布置不当 → 短柱、薄弱层，“轻结构"也要"重概念”
• 构造柱主要贡献是约束与延性，不是提高墙体抗剪承载力
• 砌体局部尺寸限值随烈度增大而加严，不要记反
• 抗震等级分四级，一级最严；它控制的是内力调整与构造标准

可能考题形式：

• 选择题：短柱判定标准、框架各体系最大高度/高宽比查表、防震缝宽度、五大震害识别
• 简答题：强柱弱梁/强剪弱弯的含义与实现手段；构造柱与圈梁的协同工作机理
• 分析题：给出震害照片说明破坏部位、原因与对策（汶川教学楼、底层空旷框架）
• 概念题：多层砌体房屋结构布置与局部尺寸限制的设计原则