底商多層砌體結(jié)構(gòu)抗倒塌機(jī)理研究

劉紅彪

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

結(jié)構(gòu)倒塌是地震造成人員傷亡最主要的原因，汶川地震中，底商多層砌體結(jié)構(gòu)房屋倒塌普遍，在北川縣城，該類型結(jié)構(gòu)倒塌率達(dá)80%。底商多層砌體結(jié)構(gòu)房屋在我國長江以南地區(qū)的中小城市非常普遍，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)存該類型的房屋約2 000萬棟，涉及居住人口1.2億。研究該類型結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計方法，提高該類型結(jié)構(gòu)房屋的抗倒塌能力是社會的迫切需求。

北川縣電信局職工住宅樓是典型的底商多層砌體結(jié)構(gòu)，在汶川地震中僅中等破壞。本文結(jié)合該典型實(shí)例，通過對比分析獲取了能有效提高底商多層砌體結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的抗震構(gòu)造措施，并通過振動臺倒塌對比試驗驗證了該構(gòu)造措施的有效性； 同時，獲得了砌體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞模式，并據(jù)此提出底商多層砌體結(jié)構(gòu)以剛度匹配原則設(shè)計的抗震設(shè)計理念。本文主要工作如下：

(1) 通過實(shí)地科考，掌握了北川縣電信局職工住宅樓破壞狀態(tài)，并采用脈動法對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)測試，獲得了結(jié)構(gòu)橫向和縱向的一階固有頻率和扭轉(zhuǎn)頻率，分別為3.45 Hz、3.65 Hz和4.05 Hz。通過對比分析可知，此結(jié)構(gòu)的層數(shù)、高度、高寬比、結(jié)構(gòu)的局部尺寸以及構(gòu)造柱和圈梁的配筋狀況均滿足規(guī)范規(guī)定的Ⅶ度抗震設(shè)防要求； 結(jié)構(gòu)的抗震橫墻間距以及圈梁的設(shè)置位置均滿足Ⅸ度抗震設(shè)防要求。通過分析該住宅樓的設(shè)計方案可知，該結(jié)構(gòu)最突出的設(shè)計特點(diǎn)是底層臨街面縱墻門洞兩側(cè)均設(shè)置了 “翼墻” 和通層加強(qiáng)構(gòu)造柱，這種設(shè)置形成了縱橫墻交接處的構(gòu)造柱兩側(cè)或單側(cè)伸出一段由構(gòu)造柱包裹的墻體，該構(gòu)造措施有效增加了結(jié)構(gòu)底層臨街面縱墻的抗側(cè)剛度，減小了底層前后縱墻的剛度差，減輕了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力。

(2) 根據(jù)第一強(qiáng)度理論，推導(dǎo)出了砌體結(jié)構(gòu)開裂時的層間位移角限值公式； 由該公式可知，層高一定時，砌體墻片的剛度越大，其延性越差。同時，通過對比各種砌體材料的本構(gòu)關(guān)系，推薦了一種用于模擬燒結(jié)粘土磚的本構(gòu)關(guān)系模型，并采用該本構(gòu)關(guān)系對北川縣電信局職工住宅樓進(jìn)行了非線性地震反應(yīng)分析計算。通過計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱方向是縱向，在Ⅸ度大震時結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重破壞狀態(tài)。同時，根據(jù)層間位移的計算結(jié)果，建議砌體結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值取1/160，該值與后續(xù)砌體墻片的擬靜力試驗結(jié)果一致。通過對比結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)計算可知，底層的 “翼墻” 及門洞兩側(cè)加強(qiáng)構(gòu)造柱的設(shè)置，可使整體結(jié)構(gòu)的抗震能力相對于無該構(gòu)造措施的結(jié)構(gòu)提高0.5度左右。

(3) 采用預(yù)應(yīng)力加載裝置，實(shí)現(xiàn)了與原型結(jié)構(gòu)軸壓比相等的模型振動臺試驗。試驗結(jié)果表明，該預(yù)應(yīng)力加載裝置對模型振動臺試驗是可行且有效的，該裝置為今后振動臺試驗中模型人工質(zhì)量的施加提供了一條新途徑。

(4) 通過4個單層模型的振動臺倒塌對比試驗，獲得了底商砌體結(jié)構(gòu)地震時的倒塌破壞模式。試驗表明，同一方向上各道墻體的剛度不協(xié)調(diào)造成地震中各道墻體被逐個擊破，是砌體結(jié)構(gòu)破壞或倒塌的主要模式。故在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，按照剛度設(shè)計方法，保證結(jié)構(gòu)層間同方向各墻體的抗側(cè)剛度基本相等是非常重要的。同時，試驗驗證了臨街面縱墻中 “翼墻” 及門洞兩側(cè)通層加強(qiáng)構(gòu)造柱的設(shè)置能有效提高臨街面縱墻的抗側(cè)剛度，縮小與其他縱墻抗側(cè)剛度的差異，使地震剪力在各縱墻的分配趨于均勻，顯著提高了砌體結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，并且試驗結(jié)果表明，砌體結(jié)構(gòu)是有一定延性的。

(5) 為了使砌體結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計方法有據(jù)可依，本文對現(xiàn)有的砌體墻片層間等效抗側(cè)剛度公式進(jìn)行了深入分析，指出了現(xiàn)有方法的缺陷，并在此基礎(chǔ)上，提出了考慮圈梁、構(gòu)造柱影響的砌體墻片層間等效抗側(cè)剛度計算公式。并通過4組12片砌體墻片的擬靜力試驗驗證了公式的合理性； 通過該公式計算，可以保證砌體結(jié)構(gòu)同一方向上各道墻體的抗側(cè)剛度相等。文中通過20片砌體墻片的數(shù)值模擬可知，圈梁截面高度對墻片抗側(cè)剛度影響微小，墻片抗側(cè)剛度計算時可不考慮圈梁的作用； 通過對32片砌體墻片的64種工況的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，中間構(gòu)造柱的間距(最大不超過4.2 m)對墻片抗側(cè)剛度影響不明顯，本文認(rèn)為墻片抗側(cè)剛度計算時不考慮構(gòu)造柱間距的影響； 構(gòu)造柱截面的折算采用公式A1=A2+ηcEc/E計算，折算截面均采用矩形，且計算時應(yīng)考慮構(gòu)造柱位置不同對構(gòu)造柱參與系數(shù)ηc的影響； 通過對307片砌體墻片的數(shù)值模擬結(jié)果分析，擬合得到了考慮構(gòu)造柱位置影響的構(gòu)造柱參與系數(shù)ηc的合理取值； 墻片抗側(cè)剛度計算時，盡量選取整體墻片作為計算對象，不區(qū)分大、小開洞墻片，所有墻片統(tǒng)一按洞口劃分，劃分后的墻段抗側(cè)剛度按照文中建議的公式計算，整體墻片的抗側(cè)剛度通過各墻段剛度疊加得到。

關(guān)鍵詞砌體結(jié)構(gòu)； 振動臺試驗； 倒塌； 汶川地震； Abaqus