砌體結(jié)構(gòu)房屋加固足尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)值模擬

閤東東， 陳 曦， 苗啟松， 李文峰

(北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，北京 100045)

我國是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。2008年的汶川地震造成直接經(jīng)濟(jì)損失8451.4億元，死亡8.7萬多人，未經(jīng)抗震設(shè)防的多層砌體結(jié)構(gòu)房屋震害相當(dāng)嚴(yán)重［1～3］。

北京市處于華北地震帶上，歷史上在北京地區(qū)及其附近曾多次發(fā)生過地震，北京地區(qū)上世紀(jì)七、八十年代的住宅建筑多采用北京市建筑設(shè)計(jì)研究院編制的73年乙系列住宅標(biāo)準(zhǔn)圖以及76年1系列住宅標(biāo)準(zhǔn)圖，后者標(biāo)準(zhǔn)圖如圖1所示。該類型建筑多為典型的多層單元式砌體結(jié)構(gòu)住宅，沒有設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱。這些建筑難以抵御6級(jí)以上的破壞性地震，已成為首都防震減災(zāi)工程中的薄弱環(huán)節(jié)，必須逐步予以解決。

圖1 北京市76年1類住宅示意圖

據(jù)估計(jì)，北京地區(qū)約有7000萬m2的磚混結(jié)構(gòu)房屋，由于受當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)制約，其抗震設(shè)防水平較低。且至今已使用了30余年，結(jié)構(gòu)材料已經(jīng)老化，整體抗震性能較差，多數(shù)建筑未進(jìn)行過抗震加固。建筑外飾材料脫落，部分構(gòu)件已經(jīng)毀壞，有些建筑甚至破舊不堪;多數(shù)建筑未進(jìn)行過節(jié)能改造，居住舒適性較差，能源消耗量大。由于地震發(fā)生的不確定性和突發(fā)性，為了減少可能的地震對(duì)城市造成破壞，需要對(duì)既有的抗震能力較低的建筑進(jìn)行逐批加固，逐步提高其抗震設(shè)防水平，提高首都的整體抗震防災(zāi)能力。鑒于北京地區(qū)該類建筑量大面廣，要對(duì)如此眾多的建筑進(jìn)行加固，如采用傳統(tǒng)的混凝土板墻加固，存在如下問題:

(1)傳統(tǒng)加固方法需要入戶施工，居民需搬遷。政府難以安排大量周轉(zhuǎn)房來解決加固房屋居民的周轉(zhuǎn)問題。同時(shí)周轉(zhuǎn)的組織和實(shí)施的難度也十分困難。傳統(tǒng)加固方法施工周期長，一般加固方法施工周期約需要4 ～6 個(gè)月［4，5］。

(2)傳統(tǒng)加固方法需要較大的施工場(chǎng)地，多為現(xiàn)場(chǎng)澆筑或噴射混凝土施工［5］，施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制難度大，噴射混凝土反彈量大，浪費(fèi)較大，擾民嚴(yán)重，對(duì)周圍環(huán)境影響較大。

唐山地震后采用應(yīng)急加固方法(捆綁式)抗震加固效果無法滿足當(dāng)前要求，且外觀難看。因此要在幾年內(nèi)解決首都老舊房屋的抗震加固問題，必須研究一種加固技術(shù)解決上述幾個(gè)難題，并同時(shí)解決節(jié)能保溫和外立面改造。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院提出一種基于裝配式技術(shù)的加固體系，該技術(shù)采用工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，大部分制品由工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝，濕作業(yè)少，施工周期快，對(duì)周圍居民干擾小，對(duì)環(huán)境影響小;結(jié)構(gòu)加固體系對(duì)住戶干擾小，入戶工作量很少，居民不必搬出，解決居民搬遷周轉(zhuǎn)問題;保溫節(jié)能及外立面裝飾改造一體化解決，房屋安全、居民居住條件、社區(qū)環(huán)境一并改善;綜合造價(jià)低，經(jīng)濟(jì)性好。

采用外套預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)加固無圈梁和構(gòu)造柱的砌體結(jié)構(gòu)，利用外加預(yù)制鋼筋混凝土墻承擔(dān)大部分的地震作用［6～8］，結(jié)構(gòu)型式從單純的砌體結(jié)構(gòu)改變?yōu)榛炷?砌體混合結(jié)構(gòu)。由于與傳統(tǒng)的普通單、雙面板墻加固方法有很大不同，且原砌體結(jié)構(gòu)無圈梁與構(gòu)造柱，因此，需要對(duì)加固后的混合結(jié)構(gòu)和原砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估。北京市建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)了5層外套預(yù)制結(jié)構(gòu)加固的砌體結(jié)構(gòu)模型，并委托中國地震局工程力學(xué)研究所開展混合結(jié)構(gòu)的擬靜力和擬動(dòng)力試驗(yàn)，但該試驗(yàn)僅能直觀考察混合結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能無法評(píng)估，由于實(shí)驗(yàn)需要高昂的費(fèi)用，再做一個(gè)未加固的砌體結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)存在困難，也是不必要的。本文通過ABAQUS軟件分析對(duì)該足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了數(shù)值模擬研究，對(duì)原砌體結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的地震作用進(jìn)行了分析，為這類砌體結(jié)構(gòu)的加固提供一些設(shè)計(jì)參考。

1 模型概況

以圖1所示的76年1系列住宅標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)原始模型，取其中典型的兩個(gè)開間作為試驗(yàn)單元，按照1∶1的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了考察扭轉(zhuǎn)成分對(duì)加固結(jié)構(gòu)的不利影響，試驗(yàn)單元采用反對(duì)稱設(shè)計(jì)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L9.48 m，寬6.24 m，高14.20 m(不含地梁高度)，共5層。結(jié)構(gòu)首層至4層樓板采用120 mm厚預(yù)制混凝土空心板，五層采用200 mm厚預(yù)制混凝土空心板，板間縫隙用C30細(xì)石混凝土填實(shí)。足尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠矫鎴D和側(cè)立面圖分別如圖2和圖3所示。模型的抗震構(gòu)造措施與原有建筑相同:一、三層采用配筋磚圈梁，五層采用現(xiàn)澆圈梁形式。模型設(shè)計(jì)中涉及到的磚砌體、混凝土以及砂漿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度按照檢測(cè)結(jié)果確定，各層磚砌體設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為MU10，第一層，二、三層，四、五層砂漿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為M2.5、M1.8和 M1.0。模型中所用縱向鋼筋為HRB335，箍筋為HPB235，鋼材為Q235B。模型三維效果如圖4所示，該模型加固細(xì)部構(gòu)造如圖5所示。

圖2 足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ推矫鎴D

圖3 足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛡?cè)立面圖

圖4 加固后模型三維效果圖

圖5 模型加固細(xì)部構(gòu)造圖

2 模型建立

2.1 材料本構(gòu)模型

鋼材本構(gòu)模型采用隨動(dòng)硬化模型，可以考慮包辛格效應(yīng)。ABAQUS中損傷塑性模型(Damaged Plasticity Model)可考慮混凝土材料拉壓強(qiáng)度的差異，剛度、強(qiáng)度的退化。混凝土材料進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)伴隨著剛度的降低，剛度損傷可以通過受拉損傷參數(shù)和受壓損傷參數(shù)來表達(dá)，適用于模擬循環(huán)荷載、動(dòng)態(tài)荷載及考慮應(yīng)變率影響時(shí)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。由于砌體結(jié)構(gòu)中砌體和砂漿均屬于非線性材料，且兩者力學(xué)性能的差異性較大，兩者之間的相互作用也較為復(fù)雜，該模型將砂漿和砌塊作為一個(gè)整體考慮，不考慮砂漿和砌體之間的相互作用，也采用損傷塑性模型。

2.2 單元類型

殼單元主要用于模擬那些厚度方向尺寸遠(yuǎn)小于另外兩維尺寸，且垂直于厚度方向的應(yīng)力可以忽略的結(jié)構(gòu)。ABAQUS/Standard中，一般的三維殼單元有三種單元列式:一般殼單元、薄殼單元和厚殼單元。對(duì)于殼單元來說，其每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。當(dāng)一個(gè)薄壁構(gòu)件的厚度小于整體結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)(一般小于1/10)，并且厚度方向的應(yīng)力可以忽略時(shí)，ABAQUS建議用殼單元模擬構(gòu)件。

砌體采用厚殼單元模擬。將鋼筋和混凝土作為一個(gè)整體考慮，即視為連續(xù)均勻材料，采用厚殼單元模擬，樓板和剪力墻中鋼筋對(duì)于結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)通過Rebar Layer來實(shí)現(xiàn)。Rebar layer法是將鋼筋以鋼筋層的形式引入到實(shí)體單元中，鋼筋層通過三維殼單元或者膜單元模擬，通過材料屬性(Property)定義將鋼筋層的力學(xué)特性賦予這個(gè)殼單元或者膜單元，從而完成對(duì)混凝土內(nèi)鋼筋的定義。分層殼單元根據(jù)復(fù)合材料原理將殼分成多層，可考慮面內(nèi)彎曲-面內(nèi)剪切-面外彎曲之間的耦合作用，能夠較全面地反映殼體結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)性能［9，10］。這里采用分層殼單元模擬砌體結(jié)構(gòu)外縱墻與外貼混凝土墻片的力學(xué)性能。

2.3 有限元模型建立

采用有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行建模時(shí)，該配重質(zhì)量只能通過Load的形式施加在結(jié)構(gòu)各層樓面上。地震作用時(shí)，這部分質(zhì)量并未參與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，而只以豎向力的形式出現(xiàn)，與真實(shí)情況不相符合。本文采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件SAP2000建立足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停赟AP Mass Source選項(xiàng)中，定義質(zhì)量來源于Element and Additional Mass and Loads，劃分好網(wǎng)格后，將SAP2000 V14中模態(tài)分析后的mdb文件生成inp文件，進(jìn)行動(dòng)力分析。導(dǎo)入ABAQUS后的模型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量被完全賦予了單元的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，在ABAQUS中無需再對(duì)結(jié)構(gòu)賦予重力，直接進(jìn)行地震響應(yīng)分析即可。有限元模型如圖6所示，X方向代表縱墻方向，Y方向代表橫墻方向，采用Rayleigh阻尼模型，結(jié)構(gòu)第一、二階阻尼比取0.05，試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)試和數(shù)值模擬得到的結(jié)構(gòu)頻率如表1所示，從表中可以看出，除未加固時(shí)縱墻方向的數(shù)值模擬和振動(dòng)測(cè)試頻率差異較大之外，其他幾種情況得到的頻率差異較小，說明數(shù)值模擬具有一定的參考意義。

圖6 模型三維有限元模型

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率數(shù)值模擬結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果及分析

擬動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)采用的地震波為El Centro波，其前15 s的加速度曲線如圖7所示，地震波峰值加速度調(diào)幅到0.15g，采用隱式算法進(jìn)行動(dòng)力分析。圖8與圖9分別給出了砌體結(jié)構(gòu)橫墻和縱墻方向的基底剪力時(shí)程曲線。加固后砌體結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的基底剪力大大減小，加固前砌體橫墻基底剪力為627762 N，加固后減小到278595 N，縱墻基底剪力從加固前的314138N減小到加固后的110179 N。圖10和圖11分別給出了結(jié)構(gòu)橫墻方向和縱墻方向的層間位移比較曲線，從圖中可以看出加固后砌體結(jié)構(gòu)的層間位移大大減小。對(duì)于加固前后的結(jié)構(gòu)底層層間位移，橫墻方向由4.5 mm減小到0.78 mm，縱墻方向由9.3 mm減小至2.3 mm。

圖7 El Centro波加速度時(shí)程曲線

圖8 砌體結(jié)構(gòu)橫墻方向的基底剪力時(shí)程曲線

圖9 砌體結(jié)構(gòu)縱墻方向的基底剪力時(shí)程曲線

圖10 橫墻方向的層間位移

圖11 縱墻方向的層間位移

圖12和圖13分別給出了加固后結(jié)構(gòu)橫墻和縱墻方向的基底剪力時(shí)程曲線，從圖中可以看出，外加混凝土剪力墻片承擔(dān)了大部分基底剪力，起到了較好的加固效果。由于砌體結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度極低，但其與外加混凝土預(yù)制墻片組成組合構(gòu)件，其抗壓強(qiáng)度可以得到一定的發(fā)揮，但其延性需要專門研究。橫墻方向的墻片可以看做縱墻外貼混凝土墻片的翼緣，增大了外貼墻片的剛度，導(dǎo)致縱墻方向的地震剪力主要由外套剪力墻承擔(dān)。

圖12 橫墻方向的基底剪力

圖13 縱墻方向的基底剪力

4 結(jié)論

采用預(yù)制裝配式混凝土剪力墻對(duì)無圈梁和構(gòu)造柱的老舊砌體結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行加固，對(duì)該種加固形式的足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了數(shù)值仿真分析。本文研究表明加固后原砌體結(jié)構(gòu)橫墻和縱墻方向的基底剪力和層間位移均大大減小，說明采用預(yù)制鋼筋混凝土墻加固砌體結(jié)構(gòu)起到了較好的抗震加固效果，這種加固方法具有較好的應(yīng)用前景。

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