用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)地震易損性分析

鄭文忠，蘇志明，王 英，周 威

(1.結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090； 2.土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

采用燒結(jié)黏土磚和砂漿砌筑而成的磚墻與混凝土樓/屋蓋組成的混合結(jié)構(gòu)，中國量大面廣。當(dāng)前大量磚砌體結(jié)構(gòu)建筑因城鎮(zhèn)更新、抗震設(shè)防和使用功能的提升，雖未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，但已需要加固、改造或拆除。實(shí)際上擬拆除磚砌體結(jié)構(gòu)房屋，并不完全因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)損壞等安全問題，砌體墻片相對(duì)完整，承載能力較強(qiáng)。為此，對(duì)這些磚砌體墻片工業(yè)化拆除后再拼裝，實(shí)現(xiàn)拆除墻片的再利用，具有重要意義。

國內(nèi)針對(duì)具有歷史價(jià)值和文物價(jià)值的砌體結(jié)構(gòu)的遷移、改造和加固過程中，多涉及磚砌體墻片整體拆除后的拼裝再利用。山東淄川中醫(yī)院仿古門樓因道路拓寬采用動(dòng)力牽引法進(jìn)行了整體搬移[1]；上海四明公所門樓因中國人壽大廈的籌建被整體平移；哈爾濱中央大街西九道街的“百年老墻”因舊城改造進(jìn)行了移位和復(fù)位[2]。在保護(hù)建筑的加固改造過程中對(duì)墻體整體拆除和移位的技術(shù)，為磚砌體結(jié)構(gòu)房屋的工業(yè)化拆除與磚墻片再利用提供了借鑒。

Quagliarini等[3]對(duì)拆下的磚塊、磚碎片和砂漿的化學(xué)、物理和力學(xué)性能進(jìn)行了分析，并對(duì)使用磚塊和磚碎片制成的羅馬式磚墻片進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明施工工藝對(duì)墻體的抗壓強(qiáng)度和破壞模式有著較大的影響。Zhou等[4]采用鋸切和沖孔兩種方法實(shí)現(xiàn)了磚塊與水泥砂漿的分離，并對(duì)拆除磚塊和用拆除磚塊制作的墻片進(jìn)行了力學(xué)性能評(píng)價(jià)，結(jié)果表明拆除過程對(duì)磚塊性能影響較小，用拆除磚塊和新磚塊制作的墻片的抗壓強(qiáng)度相近。Ucer等[5]對(duì)拆除現(xiàn)場(chǎng)獲得的磚塊、砂漿塊和磚墻片進(jìn)行了基本力學(xué)性能試驗(yàn)，并對(duì)比分析了由磚塊和砂漿強(qiáng)度推導(dǎo)出的砌體強(qiáng)度與磚墻實(shí)際強(qiáng)度，結(jié)果表明拆除獲得的磚塊和磚墻片均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度限值，而且墻片的破壞模式與常規(guī)磚墻相同。這些研究說明，在條件允許時(shí)采用合理的設(shè)計(jì)方法，被拆除的墻片可應(yīng)用于工程建造。

總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀[6-12]，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)的研究較多集中在新型墻體和新的抗震措施等方面，對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的研究有限。針對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究的不足，本文采用增量動(dòng)力分析方法(簡(jiǎn)稱IDA)對(duì)7個(gè)磚砌體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了地震易損性分析，考察構(gòu)造柱間距、結(jié)構(gòu)層數(shù)和砌體強(qiáng)度對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，為用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震能力評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)

在拆除磚砌體墻片前，首先要進(jìn)行擬拆除磚墻所支承樓/屋蓋的拆除。磚砌體墻片包括無洞口墻片和有洞口墻片；有洞口的墻片分為有窗洞口的墻片和有門洞口的墻片。為實(shí)現(xiàn)砌體結(jié)構(gòu)建筑工業(yè)化拆除及再利用，引入裝配式砌體建筑的相關(guān)設(shè)計(jì)方案，拆除墻段的尺寸和形狀應(yīng)符合裝配式一體化設(shè)計(jì)的要求，且拆除墻段宜滿足無支撐狀態(tài)下的抗傾覆要求和吊裝額定起重重量的要求。綜合考慮相關(guān)資料，為避免墻段在運(yùn)輸及吊裝過程中發(fā)生損壞，建議墻段長度不超過4.8 m，高度不超過3.6 m。

無洞口的墻片的裁分需根據(jù)裁分尺寸，確定擬拆除墻片的裁分方案。采用取芯機(jī)以孔孔相切的原則在擬拆除墻段兩邊成孔，安裝夾持框并將夾持框與吊具的吊鉤相連，最后在墻段下方成孔后吊離墻段，具體拆除示意見圖1。這里需要指出，在對(duì)墻片裁分之前需設(shè)置好可靠支撐。

圖1 無洞口墻片的拆除示意Fig.1 Removal of wall pieces without openings

有窗洞口的墻片分為窗間墻與窗帶墻。窗間墻和窗帶墻的裁分需在窗間墻兩側(cè)由樓蓋到窗臺(tái)的高度范圍之內(nèi)和由窗頂至樓蓋的高度范圍之內(nèi)采用取芯機(jī)以孔孔相切的原則成孔分割。這里需要注意，裁分由窗頂至樓蓋的高度范圍之內(nèi)的窗帶墻時(shí)，要設(shè)有必要的支頂來保證拆除過程中的安全。

有門洞口的墻片分為門上墻與門洞兩側(cè)墻。門洞兩側(cè)墻的裁分與無洞口的墻片的裁分方法相同。門上墻的裁分與窗頂至樓蓋部分墻體的裁分方法相同。

拆除墻段間的連接包括水平連接和豎向連接。拆除墻段間通過砂漿層實(shí)現(xiàn)豎向連接。拆除墻段間通過“端面孔口+水平植筋+構(gòu)造柱”實(shí)現(xiàn)水平連接，具體包括相鄰墻段間的“一”形連接、“L”形連接和“T”形連接，以及窗間墻與窗帶墻的連接和門上墻與兩側(cè)墻的連接，連接示意見圖2。

需要指出，在用拆除墻段建造新的砌體結(jié)構(gòu)房屋之前，應(yīng)檢測(cè)擬拆除房屋的磚墻、磚墻所用磚塊和砌筑砂漿的力學(xué)性能；拆除墻段間通過“端面孔口+水平植筋+構(gòu)造柱”實(shí)現(xiàn)水平連接，這種措施將導(dǎo)致用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱間距較小，合理考慮構(gòu)造措施對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響也是值得關(guān)注的問題。

圖2 拆除墻段間的幾種連接方式Fig.2 Several connection modes for removed walls

2 分析模型

本文主要考察構(gòu)造柱間距、結(jié)構(gòu)層數(shù)和砌體強(qiáng)度對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，所建立模型的平面布置相同，僅改變以上三種設(shè)計(jì)參數(shù)的取值，結(jié)構(gòu)平面布置見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)平面布置(mm)Fig.3 Structure layout(mm)

用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)模型軸線長36.0 m，寬14.4 m，各層層高均為3.0 m，墻厚240 mm。屋面和樓板厚度為120 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。構(gòu)造柱尺寸為240 mm×240 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20。拆除墻段所用磚強(qiáng)度等級(jí)為MU10，砂漿強(qiáng)度可由測(cè)得的磚砌體抗壓強(qiáng)度平均值和磚強(qiáng)度計(jì)算得出。7個(gè)模型結(jié)構(gòu)均滿足現(xiàn)行《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]的要求，模型的其他信息見表1。

表1 模型的基本信息Tab.1 Basic information of models

3 地震易損性分析

3.1 增量動(dòng)力分析

增量動(dòng)力分析可反映在不同地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和變形能力的變化過程。本文基于Wilson-θ法進(jìn)行彈塑性動(dòng)力反應(yīng)分析，采用串聯(lián)多自由度的等效剪切模型對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立，等效剪切模型見圖4。相比于微觀模型，這種等效剪切模型既可滿足易損性計(jì)算的要求，又減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算效率。動(dòng)力分析選用考慮剛度退化的三線性恢復(fù)力模型[14-15]，恢復(fù)力模型見圖5。該模型可以較精確地描述帶構(gòu)造柱磚墻片的滯回關(guān)系，許多學(xué)者基于該模型對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震易損性分析并驗(yàn)證了可靠性[16-19]。

圖4 等效剪切模型Fig.4 Diagram of equivalent shear model

圖5 恢復(fù)力模型Fig.5 Resilience model

為保證IDA分析計(jì)算的準(zhǔn)確性，需確定一個(gè)合理有效的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)和一個(gè)結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)[20]。

3.2 地震動(dòng)的選擇

為減少地震動(dòng)的不確定性對(duì)結(jié)構(gòu)地震易損性分析的影響，參考美國ATC-63報(bào)告中建議的選波原則[21]，在美國太平洋地震研究中心的強(qiáng)震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)庫中選取了20條地震動(dòng)記錄。選取的地震動(dòng)記錄見表2?？紤]到等效剪切模型計(jì)算速度較快和等步長法操作計(jì)算方式簡(jiǎn)單且易于在程序中實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，本文采用等步長法，每個(gè)模型進(jìn)行IDA分析時(shí)的調(diào)幅步長為0.025g。

表2 選取的地震動(dòng)記錄Tab.2 Selected ground motion records

根據(jù)相關(guān)研究，地震峰值加速度Apg指標(biāo)在短周期建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)性較高，相關(guān)性隨著結(jié)構(gòu)周期的增大逐漸降低[22]。砌體結(jié)構(gòu)周期一般不高于0.4 s，屬于短周期結(jié)構(gòu)，因此選取Apg作為地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。

3.3 結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)劃分

結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)的適用性和準(zhǔn)確性直接影響著易損性曲線的形狀及其條件超越概率。國內(nèi)外學(xué)者多采用位移指標(biāo)作為地震易損性的損傷指標(biāo)。位移指標(biāo)包括最大層間位移指標(biāo)和最大層間位移角指標(biāo)[23]。結(jié)構(gòu)最大層間位移角θmax可以反映結(jié)構(gòu)形式、材料、層高和損傷等因素的影響，因此本文選取最大層間位移角θmax作為結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)。基于中國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]小震不壞、中震可修、大震不倒的三水準(zhǔn)設(shè)防要求，結(jié)合李佳、熊立紅對(duì)砌體墻片破壞等級(jí)的劃分[25-26]，在砌體房屋總高度與總寬度的最大比值不超過2.0時(shí)，本文把砌體結(jié)構(gòu)的性能狀態(tài)劃分為4個(gè)等級(jí)，即正常使用、輕微破壞、中等破壞和嚴(yán)重破壞，各性能狀態(tài)的層間位移角限值見表3。

表3 各性能狀態(tài)的層間位移角限值Tab.3 Inter-story displacement angle limits for each performance status

3.4 地震易損性分析

采用有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)-地震動(dòng)樣本開展增量動(dòng)力分析，可以獲得在不同地震動(dòng)強(qiáng)度下砌體結(jié)構(gòu)的最大層間位移角θmax。地震動(dòng)記錄不同，IDA曲線會(huì)呈現(xiàn)出一定的離散性，為準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的抗震能力，可根據(jù)IDA分析結(jié)果繪制易損性曲線，基于結(jié)構(gòu)破壞概率來評(píng)估其抗震安全性能，從而降低這種離散性[20]。

地震易損性是指結(jié)構(gòu)在不同地震動(dòng)強(qiáng)度下，發(fā)生不同程度破壞的可能性，也就是結(jié)構(gòu)達(dá)到某個(gè)預(yù)定極限狀態(tài)或性能水平的概率，通常用易損性曲線或易損性矩陣來表示[27]。本文采用前面增量動(dòng)力分析得到的最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg來建立結(jié)構(gòu)的地震易損性曲線[20]。

研究表明[28]，結(jié)構(gòu)最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg服從式(1)。對(duì)增量動(dòng)力分析得到的最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg分別取對(duì)數(shù)，然后進(jìn)行線性回歸分析，可得到如式(2)所示的地震需求概率模型，式中a、b為回歸系數(shù)。

(1)

ln(θmax)=ln(a)+bln(Apg)

(2)

設(shè)結(jié)構(gòu)最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg均服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布[29]，結(jié)構(gòu)在不同極限狀態(tài)下的失效概率Pf為

(3)

選取地震峰值加速度Apg為橫坐標(biāo)，選取不同地震動(dòng)強(qiáng)度作用下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角超越各個(gè)極限狀態(tài)限值的條件概率作為縱坐標(biāo)，即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震易損性曲線的繪制[21]。

3.4.1 構(gòu)造柱間距的影響

為研究構(gòu)造柱間距對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)地震易損性的影響，以基本結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)并僅改變構(gòu)造柱間距，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)模型的構(gòu)造柱間距分別為2、3、6 m，由IDA分析得到的對(duì)應(yīng)地震需求概率模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

ln(θmax-1)=-6.014+0.927ln(Apg)

(4)

ln(θmax-2)=-6.101+0.930ln(Apg)

(5)

ln(θmax-3)=-6.153+0.932ln(Apg)

(6)

計(jì)算分析所得的地震易損性曲線見圖6。

根據(jù)圖6中的易損性曲線，作出不同構(gòu)造柱間距磚砌體結(jié)構(gòu)的地震破壞矩陣，具體見表4。

圖6 不同構(gòu)造柱間距結(jié)構(gòu)的易損性曲線Fig.6 Vulnerability curves of masonry structures with different column spacing

表4 不同構(gòu)造柱間距結(jié)構(gòu)的地震破壞矩陣Tab.4 Seismic damage matrix of masonry structures with different column spacing %

由圖6可以看出，隨著Apg的增加，用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)模型發(fā)生破壞的超越概率逐漸增大。三個(gè)模型發(fā)生輕微破壞的易損性曲線的斜率均比較大，即結(jié)構(gòu)在地震作用下，很容易就超過彈性極限狀態(tài)。隨著Apg的增加結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)生破壞，易損性曲線的斜率逐漸減小，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入屈服階段繼續(xù)抵抗地震作用。由表4可知，當(dāng)Apg為0.2g時(shí)，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)模型超越輕微破壞的概率分別為37.36%、29.05%和24.51%；當(dāng)Apg為0.8g時(shí)，1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)模型超越嚴(yán)重破壞的概率分別為9.79%、6.52%和5.02%。由此表明，隨著構(gòu)造柱間距的減小，磚砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生超越各個(gè)極限狀態(tài)限值的概率逐漸降低，結(jié)構(gòu)的抗震性能逐步提高，即合理設(shè)置構(gòu)造柱可顯著提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.4.2 結(jié)構(gòu)層數(shù)的影響

為研究結(jié)構(gòu)層數(shù)對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)地震易損性的影響，以基本結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)并僅改變結(jié)構(gòu)層數(shù)，4號(hào)、2號(hào)和5號(hào)模型的結(jié)構(gòu)層數(shù)分別為4、5、6層，由IDA分析得到的對(duì)應(yīng)地震需求概率模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

ln(θmax-4)=-5.990+0.892ln(Apg)

(7)

ln(θmax-2)=-6.101+0.930ln(Apg)

(5)

ln(θmax-5)=-6.165+0.900ln(Apg)

(8)

計(jì)算分析所得的地震易損性曲線見圖7。

圖7 不同層數(shù)結(jié)構(gòu)的易損性曲線Fig.7 Vulnerability curves of masonry structures with different stories

根據(jù)圖7中的易損性曲線，作出不同層數(shù)砌體結(jié)構(gòu)的地震破壞矩陣，具體表5。

表5 不同層數(shù)結(jié)構(gòu)的地震破壞矩陣

由圖7可以看出，隨著Apg的增加，磚砌體結(jié)構(gòu)房屋發(fā)生破壞的超越概率也逐漸增大，4號(hào)和2號(hào)模型的易損性曲線相差較小，與5號(hào)模型的易損性曲線相差較大。由表5可知，當(dāng)Apg為0.2g時(shí)，4號(hào)、2號(hào)和5號(hào)模型超越輕微破壞的概率分別為27.79%、29.05%和45.29%；當(dāng)Apg為0.8g時(shí)，4號(hào)、2號(hào)和5號(hào)模型超越嚴(yán)重破壞的概率分別為4.89%、6.52%和11.26%。由對(duì)比可知，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，砌體結(jié)構(gòu)的破壞概率逐漸增大，而且增大幅度較高。相關(guān)研究表明，相同地震烈度情況下，磚砌體結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多、總高度越大，砌體結(jié)構(gòu)就越容易發(fā)生破損或倒塌。建議拆除墻段再利用時(shí)，結(jié)構(gòu)總層數(shù)和總高度不宜超過GB 50011的規(guī)定，保證砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.4.3 砌體強(qiáng)度的影響

為研究磚砌體強(qiáng)度對(duì)用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)地震易損性的影響，以基本結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)并僅改變拆除墻片的抗壓強(qiáng)度平均值，6號(hào)、2號(hào)和7號(hào)模型墻片的抗壓強(qiáng)度平均值分別為2.90、3.33、4.19 MPa，由IDA分析得到的對(duì)應(yīng)地震需求概率模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

ln(θmax-6)=-6.053+0.880ln(Apg)

(9)

ln(θmax-2)=-6.101+0.930ln(Apg)

(5)

ln(θmax-7)=-6.268+0.898ln(Apg)

(10)

計(jì)算分析所得的地震易損性曲線見圖8。

圖8 不同磚砌體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的易損性曲線Fig.8 Vulnerability curves of masonry structures with different strength of brick masonry

根據(jù)圖8中的易損性曲線，作出不同磚砌體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的地震破壞矩陣，具體見表6。

表6 不同磚砌體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)的地震破壞矩陣

由圖8可以看出，隨著Apg的增加，磚砌體結(jié)構(gòu)房屋發(fā)生破壞的超越概率也逐漸增大，6號(hào)和2號(hào)模型的易損性曲線相差較小，與7號(hào)模型的易損性曲線相差較大。由表6可知，當(dāng)Apg為0.2g時(shí)，6號(hào)、2號(hào)和7號(hào)模型超越輕微破壞的概率分別為40.98%、29.05%和20.09%；當(dāng)Apg為0.8g時(shí)，6號(hào)、2號(hào)和7號(hào)模型超越嚴(yán)重破壞的概率分別為8.65%、6.52%和2.80%。由對(duì)比可知，在相同Apg的情況下，隨著磚砌體強(qiáng)度的提高，砌體結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微破壞、中等破壞和嚴(yán)重破壞的概率顯著降低。也就是說，磚砌體強(qiáng)度對(duì)砌體結(jié)構(gòu)抗震性能有著較大的影響，用拆除墻段建造新的磚砌體結(jié)構(gòu)實(shí)踐中應(yīng)避免低強(qiáng)度墻段的使用。

4 結(jié) 論

1) 構(gòu)造柱間距的減小可明顯提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。拆除墻段間的水平連接是通過“端面孔口+水平植筋+構(gòu)造柱”來實(shí)現(xiàn)的，與普通砌體結(jié)構(gòu)相比，使用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱間距較一般砌體結(jié)構(gòu)小，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮構(gòu)造柱間距的減小對(duì)抗震性能的提高。

2) 相同地震烈度情況下，砌體結(jié)構(gòu)的層數(shù)越多、總高度越大，砌體結(jié)構(gòu)就越容易發(fā)生破損或倒塌。需要進(jìn)一步研究不同設(shè)防烈度下不同設(shè)計(jì)地震分組用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)的層數(shù)限值和墻體的平均應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度比限值。

3) 磚砌體強(qiáng)度對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能有著較大的影響。為保證用拆除墻段建造的磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，在用拆除墻段建造新的砌體結(jié)構(gòu)房屋之前，應(yīng)檢測(cè)擬拆除房屋的磚墻、磚墻所用磚塊和砌筑砂漿的力學(xué)性能，合理評(píng)定拆除墻段的力學(xué)性能及完好性，選擇狀況良好的墻片作為拆除再利用對(duì)象。