較大空間砌體房屋的抗震演算

范國璽

鄭州市建筑設(shè)計(jì)院（450000）

較大空間砌體房屋的抗震演算

范國璽

鄭州市建筑設(shè)計(jì)院（450000）

具有較大開間和進(jìn)深的砌體房屋在地震中易發(fā)生脆性剪切破壞，分別用有限元ANSYS軟件和PKPM軟件對(duì)安陽市一大空間教室進(jìn)行抗震演算，指出大空間結(jié)構(gòu)的砌體房屋在抗震性能方面存在的一些問題，同時(shí)從抗震防災(zāi)的角度,提出一些解決問題的措施。

大空間房屋；ANSYS分析；PKPM抗震分析

0 引言

砌體大空間房屋一般要求結(jié)構(gòu)有較大的開間和進(jìn)深，結(jié)構(gòu)的外縱墻開洞面積也比較大。但若這類房屋建造在地震區(qū)，由于抗震實(shí)墻面積比較小，在地震中易發(fā)生地震脆性剪切破壞。我國多層砌體結(jié)構(gòu)房屋震害表明：砌體大空間結(jié)構(gòu)的破壞率比小開間結(jié)構(gòu)高的多。雖然可以通過減少外墻開洞率或根據(jù)開洞情況加厚外縱墻以及加壁柱墻來滿足抗震及砌體強(qiáng)度的要求，但是這些方法會(huì)影響室內(nèi)通風(fēng)和采光，而且由于加厚墻，房屋自重加大，地震力增大，對(duì)結(jié)構(gòu)有較大影響[1]。目前來說，砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的演算對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員也是非常重要的。

1 工程概況

該教學(xué)辦公樓為我省安陽市某中學(xué)辦公樓，建于1986年，結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)，共4層,高15.6 m，X向：18 m,Y向：4×3.9 m。Z向：10.2 m。設(shè)有240 mm× 700 mm現(xiàn)澆混凝土梁和240 mm×500 mm的圈梁，該圈梁兼過梁使用，無構(gòu)造柱，樓板為現(xiàn)澆樓板。每層設(shè)有2.2 m寬的懸挑外廊，走廊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)為磚砌體圍護(hù)，屋頂有挑檐和500 mm高的女兒墻。機(jī)磚為75#，砂漿為50#，混凝土為200#。

該教學(xué)辦公樓結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面

2 利用有限元地震反應(yīng)譜法分析抗震演算

為了對(duì)該教學(xué)樓的抗震性能進(jìn)行分析，得到具體的抗震驗(yàn)算數(shù)據(jù)。地震動(dòng)參數(shù)按安陽市抗震設(shè)防區(qū)選擇，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，施工控制等級(jí)B級(jí)，設(shè)計(jì)基本加速度值0.2 g,地震特征周期值0.35 s，水平地震影響系數(shù)最大值0.16，建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，基本振型個(gè)數(shù)4個(gè)。在進(jìn)行反應(yīng)譜分析時(shí)，我們根據(jù)建筑物所在場地類別、設(shè)計(jì)地震分組、地震特征周期值、地震影響系數(shù)、結(jié)構(gòu)的阻尼比等因素，用ANSYS軟件進(jìn)行抗震演算分析。

圖2 南立面示意圖

2.1 有限元分析過程

通過布爾運(yùn)算建立實(shí)體模型，模型底部與基礎(chǔ)固結(jié)并假定地基為剛性對(duì)上部結(jié)構(gòu)沒有影響，樓板與梁均為剛接。分別附加混凝土以及墻體的密度、彈性模量。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 5009—2001）計(jì)算出按承載力極限狀態(tài)的效應(yīng)組合與正常使用極限狀態(tài)的荷載（效應(yīng)）組合，并取其最不利荷載組合施加在結(jié)構(gòu)上。然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)采用選用solid45單元并進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。進(jìn)行靜力計(jì)算，進(jìn)行模態(tài)分析,由于子空間分析法在模態(tài)分析時(shí)精度高而且其結(jié)果可以用于隨后的反應(yīng)譜分析，所以在這里我采用子空間分析法進(jìn)行模態(tài)分析，分析的階數(shù)為8階。在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行反應(yīng)譜分析。

2.2 數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果

表1 結(jié)構(gòu)的自振周期、頻率

表2 結(jié)構(gòu)層間位移

由表2可以看出，房屋樓層間的最大位移為2.355 mm，約為層高的1/1656。《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》要求，樓層內(nèi)最大的層間彈性位移角不宜超過1/1000，故該結(jié)構(gòu)在地震過程中層間位移滿足規(guī)范要求。

2.3 ANSYS軟件抗震分析結(jié)論

通過有限元分析，得知該工程結(jié)構(gòu)大部分墻體在模擬中顯示較大的應(yīng)力。開洞多的墻體，由于抗震實(shí)體面積較小，多出現(xiàn)較大應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示，洞口的角部、承重梁的梁底與縱橫墻交接處多產(chǎn)生應(yīng)力集中。由計(jì)算可知，該教學(xué)樓在抗震計(jì)算分析中是不滿足現(xiàn)有規(guī)范的抗震要求。

3 利用PKPM軟件進(jìn)行抗震分析

3.1 PKPM軟件抗震分析過程

建筑模型與荷載輸入：通過軸線輸入、網(wǎng)格生成、樓層定義、荷載輸入建立房屋基本模型和部分參數(shù)，然后進(jìn)行樓層組裝。

結(jié)構(gòu)樓面布置：逐層布置樓板，輸入梁以及墻體的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，設(shè)置圈梁。

樓面荷載傳導(dǎo)計(jì)算：布置樓面恒荷載、活荷載并確定荷載傳導(dǎo)方式。

進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算：輸入數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)類型、樓面類型、地下室結(jié)構(gòu)嵌固高度、墻體材料、地震烈度、施工質(zhì)量等級(jí)等，然后進(jìn)行計(jì)算并得出結(jié)論。

3.2 PKPM軟件抗震演算原理

3.2.1 砌體結(jié)構(gòu)在PKPM中抗震驗(yàn)算的計(jì)算原理

根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范用底部剪力法計(jì)算各層地震力，接著按樓面剛度和墻體側(cè)向剛度分配地震剪力到每個(gè)墻段，然后導(dǎo)出樓面荷載和墻體自重，計(jì)算墻體壓應(yīng)力，最后按墻體截面的抗震受剪承載力計(jì)算公式驗(yàn)算每個(gè)墻段的受剪承載力。

3.2.2 砌體結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的計(jì)算內(nèi)容

PKPM軟件驗(yàn)算了每一片墻體的抗震受剪承載力，計(jì)算對(duì)象包括門、窗、洞口在內(nèi)的大片墻體，求出每一片墻體在抗震受剪的同時(shí)也考慮了由壓力影響的沿階梯形截面坡壞的抗震抗剪強(qiáng)度。最終的計(jì)算結(jié)果為抗力與效應(yīng)的比值。當(dāng)墻段的抗震受剪承載力不滿足時(shí)，將計(jì)算出墻段所需水平配筋的總截面積。

3.3 PKPM軟件抗震分析結(jié)果如圖3～6所示

圖3 1層演算結(jié)果

圖4 2層演算結(jié)果

圖5 3層演算結(jié)果

圖6 4層演算結(jié)果

3.4 PKPM軟件抗震分析結(jié)論

由PKPM軟件抗震分析結(jié)果可以看出，大面積墻體的抗力與效應(yīng)的比值小于1，尤其開洞面積較大的墻體抗力效應(yīng)比更小,即墻體不滿足抗震計(jì)算，從而該教學(xué)樓不滿足抗震要求。

4 結(jié)論

通過有限元ANSYS軟件和PKPM軟件的抗震計(jì)算分析結(jié)果的對(duì)比可以得出：PKPM軟件計(jì)算方便快捷，但是其分析結(jié)果不夠詳盡，可得出結(jié)構(gòu)的抗力與效應(yīng)的比值。有限元ANSYS軟件在抗震分析過程比較復(fù)雜，但是其分析結(jié)果能夠詳細(xì)計(jì)算結(jié)構(gòu)的震型、結(jié)構(gòu)的位移、結(jié)構(gòu)各部位的受力狀況等。總之，該工程在抗震方面有以下問題：

由于該教學(xué)樓建造于20世紀(jì)90年代，其設(shè)計(jì)尺寸已不符合國家頒布的現(xiàn)有的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。如：結(jié)構(gòu)層高、窗間墻寬度以及女兒墻高度均不滿足抗震規(guī)范的要求。

在結(jié)構(gòu)材料方面，機(jī)磚為75#，砂漿為50#，混凝土為200#，其強(qiáng)度低于抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

在結(jié)構(gòu)受力方面,該教學(xué)樓房屋為大開間結(jié)構(gòu)，墻體洞口面積較大,使墻體抗震有效面積降低，大大減弱了結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和抗剪能力。房屋的懸挑外廊的維護(hù)結(jié)構(gòu)為磚砌體圍護(hù)，這使懸挑結(jié)構(gòu)受力極其不合理，在地震中容易產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象。

在結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面，該教學(xué)樓缺少構(gòu)造柱、墻體配筋、錨固措施等抗震構(gòu)造要求。由于構(gòu)造柱、墻配筋等構(gòu)造措施在提高房屋整體性、延性抗倒塌等方面有十分重要的作用,因此構(gòu)造柱、墻體配筋設(shè)置與否和設(shè)置數(shù)量多少、質(zhì)量好壞,對(duì)房屋的抗震性能有重要影響。

通過計(jì)算得知，房屋大面積的墻體不符合安陽市的抗震要求，應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,以免在地震中造成不必要的損失。

[1]余瑞，王廣俊.多層大板大開間開間的抗震性能的研究[J].四川建筑，2007，27（1）：112-116.

[2]GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2002.

[3]GB 50003-2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2001.