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砌体结构的加固
砌体结构的加固
1、砌体受力特点及失效形式
(1)主要受力特点
砌体结构构件由块材和砂浆砌筑而成,包括墙、柱、过梁、挡土墙、烟囱、池壁、拱等构件。
砌体构件中的块材包括砖、砌体、石材三大类,其中砖通常采用烧结普通砖、烧结多孔砖、蒸压灰土砂砖和蒸压粉煤灰砖等,砂浆包括水泥砂浆、混合砂浆、石灰砂浆等,老建筑物中有的还采用粘土砂浆。
砌体结构具有以下主要特点:
1)砌体构件主要用作墙、柱等受压构件,刚度一般较大,但其强度较低,特别是抗剪、抗弯和抗拉强度。
2)砌体房屋的自重较大,地基易发生不均匀沉降现象,而房屋基础通常采用墙下条形基础和柱下独立基础,对地基不均匀沉降的调节有限,墙体常常因地基的不均匀沉降而开裂。
3)砌体结构通常采用钢筋混凝土楼、屋盖,由于砌体材料和混凝土材料的热胀系数存在显著差别,砌体结构中墙体也常常因较大的温度作用而开裂。
4)砌体结构中砖和砂浆均为多孔材料,易受潮,在自然和使用环境中不利因数的长期作用下,易出现风化、冻融、腐蚀等耐久性损伤。
5)砌体结构需人工砌筑,工作量大,劳动强度高,施工质量的变异性较大,而砌体的受力性能对施工质量又较为敏感,因此砌体构件的性能常常因质量缺陷而降低。
(2)失效形式
砌体构件主要用于承压,部分构件也会用于承受剪力、弯矩或拉力。
对于承载能力极限状态,砌体构件的失效形式包括:
1)轴心和偏心受压破坏。
此为墙、柱等受压构件的主要破坏形式。
2)局部受压破坏。
主要出现于承受竖向集中的受压构件的破坏中,如支承钢筋混凝土梁的墙和柱。
3)轴心受拉破坏。
出现于圆形水池池壁等受拉构件破坏中。
4)弯曲受拉破坏。
出现于挡土墙等受弯构件的破坏中。
5)受剪破坏。
主要出现于受弯构件的破坏中以及砖拱支座的破坏中。
6)倾覆破坏。
主要出现于挑梁的破坏中。
除了丧失承载力,砌体构件还可能因破损、开裂、倾斜、振动等因素而影响建筑物正常使用,这些属于结构构件正常使用极限状态方面的失效形式。
2、砌体结构由于承载力不足而产生事故的主要原因
(1)计算错误
主要表现在采用的截面偏小,使用的砖和砂浆强度等级偏低,钢筋混凝土大梁支座处未设置梁垫,把大梁架在门窗洞上而没有设置托梁,以及砌体的高厚比等构造不符合规范规定等。
这些问题的发生,一部分是由于设计和制图人员工作疏忽,如对建筑物的使用目的了解不透,采用的计算荷载偏小,或计算发生差错,或制图、描图时注错了尺寸、强度等级等而未被发现。
但大量的问题是由于不按基本建设程序办事,不经设计单位设计,随便找不懂技术的人胡乱“设计”而造成的。
浙江省绍兴县某乡于1980年盖了一座2层的办公楼,共517平方米,没有请设计单位设计,由一位油工画了一幅草图便施工,刚施工到2层时,砖柱被压坏,整个房屋倒塌。
后经验算,全部使用荷载加上去之后,砖柱安全系数只有0.29.砖柱、承重砖墙的设计安全系数不足,设计失误,再加上施工质量不好,造成事故最多,也最严重。
有的由于设计中漏算荷载,组合没有考虑最不利情况等设计错误,致使截面承载力严重不足。
另一种情况是不经科学计算,根据领导行政命令或某些人的主观想象,对已峻工或正在施工的工程随便增层,加大了下部结构的荷载,造成下部结构承载能力不够。
四川省重庆市某商业单位修建了一栋面积为1000平方米的门市部,原为庆市某商业单位修建了一栋面积为层,未经结构计算便决定增加一层,加层后全部倒塌。
在其他省市也有不少随便增层造成房屋倒塌的教训。
例:
浙江省镇海县湾塘乡文化中心楼倒塌事故
1985年4月5日5时左右,尚未完工的湾塘乡文化中心楼突然例塌,末造成人员伤亡,但直接经济损失达2.5万元。
该文化中心楼为三层砖混结构,荷载梁传至独立的砖柱上,使得砖柱成为该结构的关键的构件。
在设计时,设计人员错把砖的强度等级Mu7.5当成砌体的设计强度,致使柱的承载力明显不足,计算数据表明:
倒塌时柱实际荷载为344.3kN,而砖柱的承戴能力为160.9kN,两者相差太多。
另一方面,在倒塌前砖柱己出现了纵向裂缝,至3月中旬,裂缝长达50cm,而现场施工人员用12水泥砂浆对砖柱进行了抹灰“补强”,将其余立面留给设计人员检查。
设计人员看后认为可以继续施工,在荷重进一步增加的情况下,底层正立而砖柱爆裂,楼房间西侧一塌到底。
(2)施工质量差。
砌体结构强度与砌筑质量的关系很密切。
施工管理不严,质量把关不严是造成砖石结构出事故的主要原因。
例如:
施工过程中雇佣非技术工人砌砖,砌筑过程不按规程要求,造成上下通缝,砖柱采用包心砌法,砂浆强度过低,有的在墙上任意开洞,过多地削弱了断面等。
1)砌筑砂浆质量。
砂浆强度偏低。
砂浆强度直接影响砌体的强度。
如砂浆强度偏低,必然要降低砌体的强度。
造成砂浆强度偏低的主要原因是:
①使用了不合格的水泥,如水泥存放时间过长,降低了活性,或受潮、有结块,或是地方水泥厂生产的水泥,强度不稳定等;
②施工配比不准确,少放水泥,多放了砂子和掺合料;
③常温施工不润砖,砌筑时砂浆中的水分很快被砖吸干,造成水泥脱水,不能充分水化;
④使用了不合要求的掺合料,如粘土混合砂浆用的粘土细度不合格,含有有害成分等。
2)灰缝砂浆饱满度不够。
砖砌体是用砂浆将零星的砖块粘结在一起的,其强度不仅取决于砖和砂浆的实际强度等级,而且也和灰缝砂浆饱满度有关。
由于砌砖为手工操作,在砌体中,砖块之间的砂浆不可能铺得非常均匀、饱满、密实,砂浆和砖表面不可能很均匀地接触和粘结,存在一些空隙和孔洞,因此在砌体受压时,砌体中的砖块不是单纯地均匀受压,而是处于受压、受弯、受剪等复杂的受力状态之下。
在使用同一种强度的砖和砂浆的情况下,砌体的实际强度随砂浆饱满度的变化而变化,灰缝砂浆饱满度高的,砌体中空隙、孔洞就少,砌体的强度就高一些,反之,砂浆饱满度低的,砌体强度也低一些,大约在20%范围内变化。
为了保证砖砌体的抗压强度不低于设计规范中规定的数值,水平灰缝的砂浆饱满度必须达到73.2%以上。
国家标准从有利于保证工程质量出发,并考虑到实际施工的可能性,规定砖砌体的水平灰缝的砂浆饱满度不得低于竖缝砂浆的设计要求,从而降低了砌体的承载能力。
造成砌体灰缝砂浆饱满度偏低的主要原因是:
①砖的形状不合乎要求,如有的砖尺寸偏大,使灰缝厚度偏小,砌砖时,遇到砂浆里有较粗颗粒时,砖块不容易把灰缝挤实。
有的砖挠曲变形,使灰缝厚薄不均,也不容易挤实。
②砂浆和易性不好。
如砂浆拌得太干,或骨料太粗,或没有掺入塑化料等,使砂浆和易性不好。
③施工时不润砖,砌筑时砖块很快把砂浆中的水分吸走,使砂浆失去和易而挤不实。
④操作方法不当。
有的地区习惯瓦刀砌法,这种操作性,因而也不能做到饱满、密实。
3)组砌方法不当。
组砌方法不当包括出现立缝和两层皮观象,砖柱采用包心砌法等。
一般宜采用满顺满丁和梅花丁的砌法,内外两皮砖层最多隔五层就应有一日丁砖拉结(五顺一丁),水池宜川三顺一丁的组砌筑方法,砖柱不得采用包心组砌方法。
4)接搓。
砖砌体的接搓应采用退搓砌法,当退搓确有困难时,应当留引出墙面120mm的直搓,并按规定设拉条。
5)砖的质量不合格。
砖砌体的强度是与砖和砂浆的强度成正比的。
因此,如果在施工中使用了强度等级低于设计要求的砖,必定要降低砌体的强度,从而影响其承载能力。
除了砖的强度等级对砌体的承载能力有影响外。
砖的形状、焙烧情况、制砖粘土成分等,
对砌体强度也有影响。
需要特别指出的是,我国某些产石灰石地区的粘土中含有大量石灰石小卵石,有的砖厂在生产过程中筛选不严,把这些石灰石小卵石裹在砖坯里,焙烧后,石灰石变成生石灰,藏在砖的内部,严重影响砖的质量。
这种砖,如不见水,强度还是很高的,但一润水,便“爆炸”(生石灰吸水熟化膨胀,把砖胀成酥松体)。
工人把这种砖叫做“爆炸砖”。
如果把它用在砌体上,必然大大地降低砌体的承载能力。
6)随意打洞或留洞位置不适当。
为了安装水、暖、电管线,在已经砌好的砖墙、砖柱上随意开槽打洞。
有的开横槽,把240mm宽的墙凿去120mm.有的在柱子上打洞,把柱子截面凿去了一半。
还有的在不允许留洞的地方,如独立砖柱、宽度小于1m的窗间墙、砖过梁上与过梁成60度角的三角形范围内、梁或梁垫下及其左右各500mm的范围内,以及门窗两侧180mm和转角处430mm的范围内留脚手眼。
这些作法,都严重地破坏了砌体结构,使其承载能力大大降低。
(3)未注意空旷房屋承载力降低因素。
一些跨度较大,层高较高的而隔墙间距又较大的空旷砖砌房屋,如会议室、礼堂、食堂、农村企业车间等,因其砖垛承载力是随高度的增加而减少的,若下降幅度过大会使承载力不足。
例:
陕西延长油矿综合楼倒塌事故
陕西省延长油矿综合楼主体工程完工后,于1984年8月9日下午5叶25分,该楼的饭厅、会议厅突然倒塌,压死工人11人,重伤3人,轻伤23入,直接经济损失10余万元。
倒塌部分包括餐厅、会议厅、备餐厅和楼梯间,倒塌建筑面积732.6平方米。
该饭厅(底层)和会议厅(二层)为砖混结构,长28.1m,跨度12m,层高48m,开问3m,内无横墙,纵墙承重,墙厚370m,墙带490×120m㎡的壁栓,窗间墙宽1.2m.屋盖和楼盖均为12m.“十”字形梁。
校核工程旧图纸,在原图基础上将砌筑砂浆标号由50号改为25号。
例塌服因:
砌筑沙浆标号降低后,一层梁底墙体局部承压的安全系数k=1.7,一层墙体几个主要截面的强度安全系数均在2.1左右,均小于规范的规定。
(4)梁垫设计、施工不当。
支承大梁的砖柱、窗间墙等,由于承受较大的集中荷载,往往需要设置梁垫,但有的工程设计未考虑设置梁垫,有的未经计算而按经验设置的梁垫过小,有的设计虽有梁垫,但施工时未按设计要求去做,或者做法不对,这样使砖柱、砖墙顶面处因局部承压能力不够而被压碎,从而导致大梁跌落、引起重大事故。
砌体在梁端下部的区地处于局部承压的受力状态。
在梁端处砌体受力的面积较小,单价面积上压应力较高,砌体在这种受力状态下,其局压强度明显大于均匀受压时的强度。
目前解释局压强度提高的理论有“套箍”理论和“楔劈”理论。
实际上,在局部荷裁作用下未受荷部分可以对受荷部分起到约束作用,也就是限制局部受荷部分的侧向变形,另一方面,局部受荷部份的侧向变形受到上部构件底面摩擦力的约束,两者共同作用,构成材料局压强度的提高。
工程中砖砌体因局压强度不足而出现破坏的实例是比较多的。
防止砌体出现局压破坏的方法除了增设混凝土梁垫外,还可以在砌体局部增加金属网片,提高砌体的抗压强度。
(5)未注意高厚比的验算,导致坡体失稳。
有的墙体只进行了强度计算而未进行高厚比验算。
有的虽然设计中验算了高厚比,但在施工中墙体失稳倒塌的例子较多。
这是由于在施工过程中,房屋的结构尚未形成整体,有些墙体,砖柱处于悬臂或单独受力状态,如在施工中又未采取防风、防倾斜的临时措施,就会造成失稳倒塌。
例:
湖南大庸黄家铺乡中心小学教室倒塌事故
该教室为单层砖木结构,3m开间,木屋架跨度6m,建筑面积338.68㎡:
,包括5间教室,3问宿舍。
该工程1985年8月开工,9月交付使用。
1986年3月13日下午2时左右,时值天降中雨,刮三级风,该建筑东头第一间教室突然倒塌,使正在上课的31人受伤,其中重伤3人。
该工程的框架直接搁置在24cm全斗墙上,下无暇砖也无其它构造措施,屋架下墙体承载能力不足是构成其例塌的原因之一;砌体砂浆强度低,墙的高厚比过大,墙的稳定性不够,也是构成倒塌的重要原因。
以上所列施工错误是一般建筑施工单位易出现的问题,至于某些施工技术较差的施工队伍,施工中出现的错误更要严重。
如湖南省衡南县某社办工厂1979年修建的一座4120平方米的混合结构建筑,2层楼,木屋顶挂瓦。
是由一位不懂建筑技术的人设计的。
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