磚混校舍橫墻地震破壞機(jī)理研究

蔣巍

摘 要：對(duì)磚混校舍橫墻在地震中的典型震害進(jìn)行了分析，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)橫墻構(gòu)件的典型破壞模式及破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，探討了磚混校舍橫墻的延性。結(jié)果表明，墻體發(fā)生剪摩破壞時(shí)，在摩擦耗能階段具有穩(wěn)定的滯回耗能能力，特別是進(jìn)入剪摩狀態(tài)后，摩擦力提供了墻體大部分延性，承載力持續(xù)穩(wěn)定，屬于理想的破壞模式。

關(guān)鍵詞：磚混校舍；橫墻；破壞機(jī)理；延性；試驗(yàn)研究

引言

磚混結(jié)構(gòu)校舍有別于普通磚混結(jié)構(gòu)住宅，具有大開(kāi)間、橫墻數(shù)量很少的典型特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)體系的冗余度和安全儲(chǔ)備均較低。汶川大地震中砌體結(jié)構(gòu)校舍大量破壞[1]～[3]，部分教學(xué)樓嚴(yán)重破壞甚至粉碎性倒塌，造成巨大的生命威脅和財(cái)產(chǎn)損失。磚混結(jié)構(gòu)校舍在特大地震作用下的抗倒塌能力成為人們關(guān)注的重要問(wèn)題，現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)磚混結(jié)構(gòu)校舍這類(lèi)特殊的結(jié)構(gòu)形式的抗地震倒塌設(shè)計(jì)缺少特別的規(guī)定。因此，研究橫墻的破壞機(jī)理及發(fā)生條件對(duì)于充分發(fā)揮墻體的抗震性能以及進(jìn)一步完善大開(kāi)間砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)等都具有重要意義。

文章結(jié)合磚混結(jié)構(gòu)校舍橫墻的震害特征，初步分析了震害原因，并通過(guò)構(gòu)件試驗(yàn)對(duì)橫墻典型破壞模式的形成機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 磚混校舍橫墻典型震害

磚混結(jié)構(gòu)校舍的橫墻進(jìn)深較大，高寬比較小（0.5左右），橫向地震作用下，墻體既是抗側(cè)力構(gòu)件，也是耗能構(gòu)件。

圖1 橫墻典型震害

圖1為磚混結(jié)構(gòu)校舍橫墻的典型震害，地震作用下橫墻通常具有剪摩型破壞特征，表現(xiàn)為兩端的剪切斜裂縫和中間高度位置的水平剪切滑移裂縫，一般以底層破壞最為嚴(yán)重，其他各層的破壞模式基本相似。

2 震害成因分析

磚混結(jié)構(gòu)校舍一般為3～5層，層高3.6m左右的建筑，地震響應(yīng)以基本振型為主，這種短周期結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形能力非常有限，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)對(duì)地震動(dòng)峰值加速度較為敏感。宏觀震害調(diào)查和試驗(yàn)研究均表明，磚砌體結(jié)構(gòu)的主要破壞形式是層間剪切變形引起的脆性剪切破壞。底層墻體則是因?yàn)樘幱谧畈焕ぷ鳡顟B(tài)，因此往往破壞也最為嚴(yán)重。

橫墻構(gòu)件進(jìn)深大、高寬比小以及軸壓比小等特點(diǎn)決定了其具備剪摩破壞的發(fā)生條件。

文章按照1/2的縮尺比例制作試件，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)對(duì)橫墻的抗震性能和典型破壞的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。

2.1試驗(yàn)概況

墻體試件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。墻體試件采用規(guī)格為240mm×115mm×53mm的標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)頁(yè)巖磚和混合砂漿砌筑而成，設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為MU10和M10，構(gòu)造柱混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25。HQ、ZQ-2和ZQ-3試件構(gòu)造柱中縱筋均為4φ8，箍筋φ6@150，局部加密，HQ頂梁截面高90mm，縱筋4φ10。豎向荷載取為0.8MPa，試件軸壓比0.15。在水平荷載作用之前將豎向力加至預(yù)定值并保證其持續(xù)恒載直至試驗(yàn)結(jié)束，水平荷載施加采用力和位移混合控制，即墻體開(kāi)裂前以20kN（橫墻試件）或10kN（縱墻試件）為級(jí)差荷載控制加載，每級(jí)循環(huán)1次，裂縫出現(xiàn)后以開(kāi)裂位移的整數(shù)倍進(jìn)行位移控制加載，每級(jí)循環(huán)2～3次，直到承載力嚴(yán)重下降或無(wú)法進(jìn)一步加載。

表1 試件參數(shù)和結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)荷載達(dá)到420kN時(shí)，首先在墻體底部沿第一皮磚下表面出現(xiàn)初始裂縫，為彎曲型變形裂縫，墻體開(kāi)裂位移Δ=0.3mm。9Δ位移正向加載過(guò)程中，主拉應(yīng)力失效造成墻體表面突然出現(xiàn)兩條大致呈45°方向分布的平行剪切型斜裂縫，反向加載形成另一條斜裂縫，墻體峰值荷載達(dá)到670.2kN，剪切破壞是脆性破壞，造成承載力的突然下降。10Δ加載階段，墻體表面主裂縫貫通，進(jìn)一步增大位移后試件進(jìn)入摩擦耗能狀態(tài)，變形主要表現(xiàn)為斜裂縫的交替閉合和中間水平滑移裂縫的摩擦變形，主斜裂縫寬度增大，同時(shí)底部?jī)蓷l斜裂縫新增多條呈帶狀分布的次生裂縫。橫墻試件整體表現(xiàn)出剪摩型破壞的特征，最終破壞狀態(tài)和滯回曲線見(jiàn)圖2a、b，裂縫狀態(tài)分布與實(shí)際震害較為一致，破壞過(guò)程經(jīng)歷開(kāi)裂、極限承載力狀態(tài)和剪摩狀態(tài)三個(gè)階段，在進(jìn)入臨界剪摩狀態(tài)之前靠材料的強(qiáng)度破壞耗能，滯回環(huán)狹窄，中間摩擦滑移裂縫的出現(xiàn)會(huì)造成承載力的突然下降，但此后墻體很快進(jìn)入穩(wěn)定的摩擦耗能狀態(tài)，滯回曲線由反“S”形向“紡錘”形過(guò)渡，主要靠摩擦而不是破壞實(shí)現(xiàn)耗能發(fā)揮墻體的抗震性能，因此屬于比較理想的耗能模式。

2.3 破壞特點(diǎn)分析

當(dāng)位移達(dá)到一定程度時(shí)，墻體首先沿階梯形灰縫在兩對(duì)角位置各出現(xiàn)一條大致呈45°分布的斜向裂縫，兩條斜裂縫之間的墻段在中部附近位置形成抗剪薄弱面，反向加載過(guò)程中發(fā)生直剪破壞，產(chǎn)生一條滑移裂縫（圖3a）。繼續(xù)增大位移時(shí)墻體沿對(duì)角新增兩條剪切裂縫，并與直剪裂縫相交后形成貫通裂縫，此時(shí)墻體被明顯分為四塊（圖3b），在進(jìn)一步的反復(fù)加載過(guò)程中墻體試件的變形主要表現(xiàn)為兩組斜裂縫的交替閉合和沿水平滑移裂縫的滑移，表明試件進(jìn)入摩擦變形狀態(tài)，該試件的破壞模式可稱(chēng)之為剪切-摩擦破壞（簡(jiǎn)稱(chēng)剪-摩破壞），墻體的主裂縫分布狀態(tài)與實(shí)際震害較為一致。隨位移的不斷增加，斜裂縫寬度不斷增大，同時(shí)下部?jī)蓷l斜裂縫附近墻體中新增多條次生裂縫，磚塊酥碎，裂縫在較大范圍內(nèi)呈帶狀分布，構(gòu)造柱端部剪切破壞形成塑性鉸后中部發(fā)生明顯的外鼓變形（圖3c），因而對(duì)破壞墻塊的約束作用明顯減弱，進(jìn)一步加載時(shí)兩側(cè)的破壞墻塊不斷被推出，試件發(fā)生較大的殘余變形，導(dǎo)致墻體在極限變形之后的垮塌破壞較快。

橫墻類(lèi)型的構(gòu)件具有懸臂深梁平面應(yīng)力狀態(tài)的受力特征，由于墻體高寬比較小，面內(nèi)變形能力非常有限，彎矩作用并不明顯，在達(dá)到極限承載力之前剪應(yīng)力起控制作用，因此主要靠材料的強(qiáng)度破壞實(shí)現(xiàn)耗能，進(jìn)入剪摩狀態(tài)后靠沿中間灰縫的干摩擦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定耗能，使結(jié)構(gòu)沿處于一種破壞安全極限狀態(tài)。根據(jù)摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，在高度非線性變形區(qū)域，摩擦力提供了大部分的延性。

3 磚混結(jié)構(gòu)橫墻的延性

延性是反映結(jié)構(gòu)和構(gòu)件變形能力、安全儲(chǔ)備水平和耗能能力高低的重要指標(biāo)，一般指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生較大的變形而承載力卻未明顯降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形能力得到維持。對(duì)磚混結(jié)構(gòu)而言，由于墻體組成材料的脆性等原因，磚混教室中的墻體構(gòu)件本身不具有延性或延性較差，結(jié)構(gòu)的延性即結(jié)構(gòu)整體破壞后發(fā)生很大變形而不倒塌的能力，對(duì)于橫墻而言，主要是通過(guò)合理的破壞模式（如橫墻剪摩破壞），利用摩擦耗能實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)难有浴?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

磚混結(jié)構(gòu)校舍橫墻的進(jìn)深較大， 高寬比較小，按照規(guī)范要求配置構(gòu)造柱同時(shí)保證墻體與基礎(chǔ)梁之間不發(fā)生剪切滑移或受拉脫開(kāi)時(shí)，墻體發(fā)生剪-摩型破壞且滑移裂縫較長(zhǎng)，摩擦耗能階段墻體具有穩(wěn)定的滯回耗能能力，特別是進(jìn)入剪摩狀態(tài)后，摩擦力提供了墻體大部分延性，承載力持續(xù)穩(wěn)定，屬于理想的耗能機(jī)制。

參考文獻(xiàn)

[1]王立成.汶川地震后學(xué)校砌體建筑結(jié)構(gòu)破壞情況調(diào)查與分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49（5）：650-656.

[2]徐有鄰.汶川震害的教訓(xùn)—教學(xué)樓倒塌的反思[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009，11（39）：50-53.

[3]林樹(shù)枝，李剛，程耿東.提高學(xué)校建筑抗震能力的對(duì)策建議[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49（5）：644-649.