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第五期:防震縫,一定要設嗎?

  • 標準規范
2021年03月26日


本次“解說”《建筑抗震設計規范》、《建筑抗震鑒定標準》等抗震防災技術標準的若干熱點技術問題,由規范(標準)的主要編修人員我公司建研設計院羅開海研究員、毋劍平研究員進行詳細的技術解讀。





解說第五期:

防震縫,一定要設嗎?

體型簡單、均勻、對稱的建筑方案對抗震比較有利,但體型復雜、平立面不規則的建筑是否必須設防震縫,將其分割為多個簡單、規則的抗側力結構單元呢?本文將在回顧抗震規范相關規定沿革的基礎上,結合震害情況對防震縫的利弊進行分析,并就是否設縫給出規范的“本意”。

1、說說設縫導致的那些震害

通常來說,體型簡單、均勻、對稱的建筑方案是有利于抗震的,也比較受廣大結構設計人員的青睞。但在實際工程中,往往由于使用功能的需要、建筑場地的限制等因素,很難保證建筑方案簡單規則。然而,對于體型復雜、平立面不規則的建筑,是否一定要設置防震縫將其分割為多個簡單、規則的抗側力結構單元呢?國內外歷次地震的大量震害表明,設置防震縫要慎之又慎。設置防震縫,而相關結構構件抗震構造措施采用不恰當,或設置防震縫,而縫寬遠遠低于地震時結構實際位移,均不可避免地造成相鄰建筑或結構單元的碰撞破壞(圖1~圖4),這一類破壞現象在歷次地震中屢見不鮮。

(a) 防震縫寬度不夠,高低建筑相互碰撞造成墻體破壞

(b)相鄰建筑地震中相互碰撞,損壞嚴重


1  2008年汶川地震,相鄰建筑的碰撞破壞實例(1

施工模板等雜物填塞防震縫,相鄰兩棟建筑地震時相互碰撞、擠壓,導致其中一棟建筑的填充墻倒塌

2  2008年汶川地震,相鄰建筑的碰撞破壞實例(2)

北川縣公安局辦公樓與兩側宿舍樓碰撞,導致西側宿舍樓倒塌,并引起西側其他建筑的連續倒塌。

3  2008年汶川地震,相鄰建筑的碰撞破壞實例(3)    



(a)男生公寓樓,地震中,防震縫兩側的結構單體相互碰撞,西側結構局部倒塌


(b)女生公寓樓,地震中,防震縫兩側的結構單體相互碰撞,東側結構完全倒塌,西側結構的碰撞產生的斜裂縫清晰可見。

4  2010年玉樹地震,玉樹州綜合職業技術學校兩棟學生公寓樓的碰撞破壞情況

2、規范關于防震縫態度的變遷

    2.1  74規范

我國的74規范(《工業與民用建筑抗震設計規范(試行)》TJ11-74)在第20、35、48、59條分別對多層磚房、空曠磚房和磚柱廠房、單層混凝土廠房、多層混凝土框架結構的防震縫設置作出了規定。74規范的主導思想是“倡導”設縫,程度用詞一般為“宜”和“應”!

    一、房屋立面高差在6米以上;

    二、房屋有錯層,且樓板高差較大;

    三、各部分結構剛度截然不同。

       防震縫應沿房屋的全高設置,兩側應布置墻,基礎可不設防震縫。

       防震縫的寬度按房屋高度和設計烈度的不同,取5~7厘米。

       沉降縫及伸縮縫應符合防震縫要求。 

第35條  空曠磚房的大廳與前后廳之間以及瓦木屋蓋廠房可不設防震縫。

  鋼筋混凝土等剛性屋蓋的單層磚柱廠房,其側向剛度或高度相差很大的相鄰部分(如廠房與生活室、平臺、變電所等)應用防震縫分開。防震縫兩側應布置墻或柱??p寬按房屋高度或設計烈度的不同,取3~7厘米,但雙墻間的縫寬不應小于5厘米。沉降縫和伸縮縫還應符合防震縫的要求。

    注:空曠磚房指劇院、禮堂等,單層磚柱廠房包括倉庫等。 

第48條  防震縫的設置應符合第35條的要求。

第59條  房屋平、立面形狀復雜或結構剛度截然不同時,宜設置防震縫。防震縫的寬度宜符合下列要求:

    一、房屋的高度在15米及15米以下時為5厘米;

    二、房屋的高度超過l5米時:

    設計烈度7度,房屋每增加5米,縫寬增加1厘米;

    設計烈度8度,房屋每增加3.5米,縫寬增加1厘米;

    設計烈度9度,房屋每增加2米,縫寬增加1厘米。

    沉降縫和伸縮縫應符合防震縫要求。

    防震縫兩側應布置承重框架。


第20條  當設計烈度為8度和9度并遇有下列情況之一時,宜用防震縫將房屋分成若干體形簡單、結構剛度均勻的獨立單元。2.2  78規范

我國的78規范(《工業與民用建筑抗震設計規范》TJ 11-78)在第26、49、62、77條分別對多層磚房、空曠磚房和磚柱廠房、單層混凝土廠房、多層混凝土框架結構的防震縫設置作出了規定。

78規范的主導思想同樣是“倡導”設縫,程度用詞一般為“宜”和“應”,同時為進一步提高地震時結構的安全性,縫寬在74規范的基礎上大幅提高!

第26條  當設計烈度為8度和9度并遇有下列情況之一時,宜設置防震縫將房屋分成若干體形簡單、結構剛度均勻的獨立單元。

    一、房屋立面高差在6米以上;

    二、房屋有錯層,且樓板高差較大,

    三、各部分結構剛度截然不同。

    防震縫應沿房屋的全高設置,其兩側應布置墻,基礎可不設防震縫。

    防震縫的寬度應根據房屋高度和設計烈度的不同,一般取5-7厘米。

    沉降縫及伸縮縫還應符合防震縫的要求。

第49條  鋼筋混凝土剛性屋蓋的磚柱廠房,其側向剛度或高度相差很大的相鄰部分(如廠房與生活間、變電所等)應用防震縫分開。防震縫兩側應布置墻或柱??p寬按房屋高度和設計烈度不同,一般取5~7厘米。沉降縫和伸縮縫還應符合防震縫的要求。

    空曠磚房的大廳與前后廳之間以及木屋蓋廠房可不設防震縫。

    注:空曠磚房指劇院、禮堂等,單層磚柱廠房包括倉庫等。 

第62條  當廠房的平立面布置復雜或結構的相鄰部分的側向剛度或高度相差很大(如廠房側邊貼建生活間、變電所、爐子間等)時,應用防震縫將相鄰部分分開。防震縫的兩側應布置墻或柱。防震縫的寬度按房屋高度和設計烈度不同,在平行排架方向及廠房與坡屋間設防震縫時,一般取5~9厘米;在廠房縱橫跨交接處設防震縫時,一般取10~15厘米。沉降縫和伸縮縫還應符合防震縫的要求。

第77條  房屋平、立面形狀復雜或結構剛度截然不同時,宜設置防震縫。防震縫的兩側應布置框架。防震縫的寬度宜符合下列要求:

    一、房屋的高度在15米及15米以以下時,為7厘米。

    二、房屋的高度超過l5米時:

    設計烈度為7度,高度每增加4米,縫寬增加2厘米。

    設計烈度為8度,高度每增加3米,縫寬增加2厘米。

    設計烈度為9度,高度每增加2米,縫寬增加2厘米。

    沉降縫和伸縮縫還應符合防震縫的要求。

2.3  89規范

我國的89規范(《建筑抗震設計規范》GBJ 11-89)在第2.2.2條給出了防震縫設置的一般規定,同時,在第6.1.5條、5.1.4條、8.1.1條和8.2.2條等處分別對鋼筋混凝土房屋、砌體結構房屋、鋼筋混凝土廠房以及單層磚柱廠房等防震縫設置進行了規定。

同74規范、78規范相比,89規范的主導思想有明顯轉變,即,由“推薦”設縫轉變為“不推薦”設縫,程度用詞一般為“可”設縫,提倡優先選擇不設縫的方案!

第2.2.2條  建筑的防震縫可按建筑結構的實際需要設置。體型復雜的建筑不設防震縫時,應選用符合實際的結構計算模型,進行較精細的抗震分析,估計其局部的應力和變形集中及扭轉影響,判明其易損部位,采取措施提高抗震能力;當設置防震縫時,應將建筑分成規則的結構單元。防震縫應根據烈度、場地類別、房屋類型等留有足夠的寬度,其兩側的上部結構應完全分開。

伸縮縫、沉降縫應符合防震縫的要求。 

第5.1.4條  多層砌體房屋的結構體系,應符合下列要求:

三、8度和9度且有下列情況之一時宜設置防震縫,縫兩側均應設置墻體,縫寬可采用50~100mm:

1.房屋立面高差在6m以上;

2.房屋有錯層,且樓板高差較大;

3.各部分結構剛度、質量截然不同。 

第6.1.5條  鋼筋混凝土房屋宜選用合理的建筑結構方案不設防震縫,當必須設置防震縫時,其最小寬度應符合下列要求:

一、框架房屋和框架-抗震墻房屋,當高度不超過15m時,可采用70mm;當高度超過15m時,6度?7度?8度和9度相應每增加高度5m?4m?3m和2m,宜加寬20mm;

二、抗震墻房屋的防震縫寬度,可采用第一款數值的70%。 

第8.1.1條  廠房的平面布置,應符合下列要求:

三、廠房體型復雜或有貼建房屋時,宜設防震縫,其寬度,在廠房縱橫跨交接處可采用100~150mm,其它情況可采用50~90mm。 

第8.2.2條  廠房的平立面布置,宜符合本章第一節的有關規定,但防震縫的設置,宜符合下列要求:

一、輕型屋蓋廠房,可不設防震縫;

二、鋼筋混凝土屋蓋廠房與貼建房屋間宜設防震縫,其寬度可采用50~70mm。

注:本節輕型屋蓋指木屋蓋和輕鋼屋架、瓦楞鐵、石棉瓦屋面的屋蓋。

2.4  01規范

我國的01規范(《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001)在第3.4.5、3.4.6條給出了防震縫設置的一般規定,同時,在第6.1.4條、7.1.7條、8.1.4條、9.1.1條和9.3.2條等處分別對鋼筋混凝土房屋、砌體結構房屋、鋼結構房屋、鋼筋混凝土廠房以及單層磚柱廠房等防震縫設置進行了規定。

01規范的主導思想是“不推薦”設縫,程度用詞一般為“可”設縫,提倡優先選擇不設縫的方案等!


2.5  10規范

我國的10規范(《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010)在第3.4.5條給出了防震縫設置的一般規定,同時,在第6.1.4條、7.1.7條、8.1.4條、9.1.1條和9.3.2條等處分別對鋼筋混凝土房屋、砌體結構房屋、鋼結構房屋、鋼筋混凝土廠房以及單層磚柱廠房等防震縫設置進行了規定。

10規范的主導思想是“不提倡”設縫。是否設縫,應根據不規則程度、地基基礎條件和技術經濟等因素的比較分析確定!


2.6  小結

3 、關于縫寬計算的討論

3.1  國內外規范關于縫寬的規定

我國抗震規范關于防震縫的寬度,歷來是只給出具體的數值規定,沒有對防震縫寬度的計算方法作出明確規定。這樣處理的好處是,一線工程技術人員在執行時,簡單、明確,一般不會出現理解上的歧義,缺點是,缺乏理論上的透明度。

歐洲規范EN 1998-1:2004(Eurocode 8:Design of structures for earhtquake resistance)規定:建筑抗震設計應注意防止相鄰建筑或同一建筑不同結構單元在地震中碰撞破壞,對于相鄰建筑或同一建筑相鄰的結構單元之間的凈距要求,歐洲規范則規定:①當兩側結構屬性不同時,凈距不應小于可能碰撞點處的最大水平位移;②當兩側結構屬性相同時,凈距不應小于可能碰撞點處的兩側最大水平位移的SRSS組合值。需要說明的是,此處的位移均為設計地震(50年超越概率10%)下的彈塑性位移。

美國規范ASCE/SEI 7-05規定,建筑分縫應有足夠的寬度,以防止兩側結構側向變形時發生碰撞破壞。對此,FEMA P-750有進一步的闡釋:分縫的最小寬度不應小于兩側結構單體預期的最大彈塑性位移(含扭轉變形)的SRSS組合值;對于剛度很大的剪力墻結構,則明確規定,高度不超過6m時,縫寬不應小于25mm,高度超過6m時,每超過3m,縫寬增加13mm。

3.2  不碰撞的理論縫寬

理論上,防震縫的寬度應能滿足相鄰建筑物在預期地震作用下不會發生相互碰撞破壞的要求,因此,防震縫的最小寬度應滿足下式要求:

5  防震縫理論寬度計算示意圖

(1)小震碰撞復核

按規范規定,多遇地震下結構處于彈性狀態,結構的最大頂點位移角可按規范規定的彈性層間位移角限值取用,即

因此,在不考慮基礎轉動的情況下,按抗震規范第6.1.4條規定,設置100mm寬的防震縫可滿足要求。

結論:小震不碰!


(2)中震碰撞復核

設防地震下,結構已進入彈塑性狀態,其最大層間位移角限值根據抗震規范M.1.3的條文說明,按結構輕微破壞時的層間位移角1/250取用,則此時的防震縫最小寬度應為:

因此,此時按抗震規范第6.1.4條規定設置100mm寬的防震縫已不能滿足要求。

結論:中震會碰!


(3)大震碰撞復核

罕遇地震下,結構已破壞的比較嚴重,此時結構的變形將進一步增大,但按規范規定其最大層間位移角不應大于1/50,則此時的防震縫最小寬度應為:

因此,此時按抗震規范第6.1.4條規定設置100mm寬的防震縫已遠遠不能滿足要求。

結論:大震必碰!


由上述分析可知,抗震規范各章節給出的防震縫寬度數值僅屬最低要求,按此寬度設置防震縫僅能保證在中小地震下(即結構基本處于彈性狀態)相鄰結構不會發生碰撞,在較大地震作用下,一旦結構進入彈塑性狀態,發生碰撞的可能性將大大增加。因此,對于實際工程,應采取適當措施,盡量不設防震縫,當必須設置時,應結合工程實際盡可能地加大縫寬,以滿足地震時結構的變形需求。


4、 關于不設縫的建議

4.1  設縫的利與弊

從事物的兩面性來看,平面復雜的建筑設置防震縫后,必然有其有利的一面和不利的一面。有利的一面,僅僅是結構上的“需求“,即通過設縫將平面復雜的建筑結構劃分為若干規則的結構單體,各結構單體受力明確,計算簡單。

然而,設縫后同樣會存在若干弊端,而且這些不利之處往往會被工程人員忽略:

①強震碰撞難以避免:設置防震縫后,即使防震縫的寬度完全按現行的相關規范采用,也很難避免強烈地震時相鄰建筑(或結構單元)發生碰撞;

②削弱縱向抗側剛度:設置防震縫后,結構在垂直防震縫方向的抗側剛度會相應減小,如果建筑較高,縫寬過大,防震縫兩側結構單體在地震及風荷載作用下的位移可能會超限,進而需要調整結構構件布置,增加工程投資;

③使用維護難度大:在實際施工及使用過程中,很難保證縫內不留雜物,進而導致地震時相互碰撞破壞;

④建筑外觀與防水處理難度大:從建筑角度看,防震縫的存在還會破壞建筑的立面整體性和美觀性。同時,接縫處的防水等問題也是很難處理的。


4.2  不設縫的建議措施

鑒于按規范規定設置防震縫不能完全避免強烈地震下碰撞的發生,以及實際工程中分縫帶來的種種弊端和歷次地震中碰撞震害,建議盡量不要設置防震縫,而是通過采取精細的計算分析和有針對性的構造措施及施工措施來解決復雜結構的問題。

(1)注意調整建筑布局和結構布置,盡可能使建筑物的剛度中心和質量中心重合或接近,并保證具有足夠的動力對稱性,以減少扭轉效應。

(2)剪力墻或壁式框架等強度和剛度較大的抗側力構件盡可能沿建筑周邊布置,以增大抗扭剛度,減小結構的地震扭轉效應。

(3)在初步設計階段,結合建筑專業布局,優化局部結構布置,盡可能減小平面凹凸轉角、疊角建筑的細腰部位等處的應力集中效應。

(4)在結構計算分析時,應注意采取三維空間計算模型,局部應力集中部位應采用彈性樓板模型,同時,應考慮雙向水平地震作用的扭轉效應。

(5)對于局部應力集中部位,應按更高的性能目標進行設計。例如,對于薄弱部位的樓板,宜按大震彈性的要求控制截面的剪壓比,以防止罕遇地震下局部樓板的剪切破壞。

(6)在構造措施方面,應注意加強局部應力集中部位樓板的構造與配筋,對于此區域樓板的邊緣構件——邊梁,應特別注意加強抗拉鋼筋的配置。

四  句  小  結

設縫不當碰撞

建筑設備亦勉強

寧愿結構迎難上

不留問題到終場


延伸閱讀

[1] 羅開海,毋劍平. 建筑工程常用抗震規范應用詳解[M]. 北京:中國建筑工業出版社,2014.11.

[2] 羅開海,毋劍平. 平面復雜建筑不設防震縫設計方法研究[J]. 

土木建筑與環境工程,Vol32(S2):315~318+321,2010.12.






羅開海

研究員,工學博士,碩士生導師

國家一級注冊結構工程師

我國結構與抗震知名專家



毋劍平

研究員

國家一級注冊結構工程師

一級注冊建筑師





往期回顧:



文章來源:CECS抗震專業委員會

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