淺析裝配式砌體結(jié)構(gòu)及其抗震性能研究

谷錫民 孟芯玉 井 淏 胡 明 王立君

裝配式建筑是將在工廠中生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、內(nèi)裝和外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管道系統(tǒng)的零件進(jìn)行整體組裝，從而形成一種結(jié)構(gòu)，將這3 個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)秀性能結(jié)合在一起，滿足人們?cè)诂F(xiàn)代化建筑中的生活需要和功能要求。裝配式房屋有3 種類型—裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)、裝配式木結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)意義上的建筑相比，裝配式建筑具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源資源、建筑質(zhì)量高和噪聲污染小等優(yōu)點(diǎn)。

磚房是由磚、石和磚塊構(gòu)成的建筑物。新中國(guó)建立后，我國(guó)的磚石建筑發(fā)展很快，磚石建筑在膠結(jié)材料以及磚石建筑系統(tǒng)等方面都有了很大的進(jìn)步。裝配式建筑可以有效地解決砌體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)澆筑過(guò)程中存在的許多問(wèn)題，同時(shí)，國(guó)家的政策也日益傾向于裝配式建筑。因此在這種情況下，提出并應(yīng)用裝配式砌體結(jié)構(gòu)是非常有必要的。

1 裝配式砌體結(jié)構(gòu)

1.1 裝配式砌體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)是一個(gè)砌體大國(guó)，磚石建筑在我國(guó)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，已經(jīng)形成了特有的文化體系?？脊艑W(xué)材料顯示，5000 多年前，我國(guó)已有磚石建筑，如石臺(tái)、石墻等；著名的“萬(wàn)里長(zhǎng)城”，是2000 年以前“秦磚漢瓦”修建的一項(xiàng)舉世矚目的大型建筑；都江堰是春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代李冰父子建造的，現(xiàn)在還在發(fā)揮著灌溉的功能。在此背景下，裝配式砌體建筑興起，將使其跨入一個(gè)嶄新的時(shí)代。

裝配式砌體結(jié)構(gòu)是20 世紀(jì)初期才被重視的一種新型結(jié)構(gòu)形式，1960 年代以后才逐步用于住宅建設(shè)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，建筑房子可以批量、成套地被建造出來(lái)。只需要將提前制造好的構(gòu)件，運(yùn)送到工地直接裝配起來(lái)就能夠完成。使用預(yù)制的砌體料建造外墻的預(yù)制裝配式砌塊建筑，最適宜在5 層高以內(nèi)的建筑中采用。

由于預(yù)制裝配式砌塊建筑具備施工速度快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以節(jié)省大量的勞動(dòng)力，提高建筑的生產(chǎn)質(zhì)量，節(jié)省能源，而且生產(chǎn)成本比較低，所以它在全球范圍內(nèi)得到了快速的發(fā)展。隨著建筑技術(shù)的日益進(jìn)步，傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)砌筑的方式已經(jīng)顯露出了它的缺陷，裝配式砌體結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配化已經(jīng)成為了砌塊整體澆墻結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展趨勢(shì)，形成了裝配式砌體結(jié)構(gòu)工業(yè)化生產(chǎn)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外許多專家針對(duì)目前現(xiàn)場(chǎng)砌筑的施工工藝的不足，提出了裝配式砌塊砌體結(jié)構(gòu)的概念，這對(duì)于提高砌塊結(jié)構(gòu)體系的施工效率和結(jié)構(gòu)性能具有積極意義，促進(jìn)了砌體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 裝配式砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景

現(xiàn)代裝配式砌體建筑有很多優(yōu)勢(shì)：

1）款式多樣。裝配式建筑能使室內(nèi)空間變得更有彈性，更能滿足使用者的個(gè)性化需求。

2）隔音、防震。因?yàn)楣S化的建筑構(gòu)件具有很高的精度，所以墻體和門窗的密封性比較好，可以避免外界噪音的干擾。裝配式構(gòu)件大部分使用的是輕質(zhì)材料，構(gòu)件本身的結(jié)構(gòu)自重非常小，而且還使用了柔性連接，具有好的抗震性能。

3）節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。裝配式砌體結(jié)構(gòu)使用了新型的綠色環(huán)保材料，并且對(duì)工業(yè)廢渣進(jìn)行了充分的利用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)資源的循環(huán)利用，降低了對(duì)環(huán)境的污染。

4）工業(yè)化生產(chǎn)，節(jié)省勞力。因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)都是用砂石等天然材料來(lái)砌筑的，所以勞動(dòng)量很大。但是在工業(yè)化的情況下，它可以極大地節(jié)省勞動(dòng)力，還可以提高生產(chǎn)效率。

5）建造過(guò)程采用組合式結(jié)構(gòu)，縮短了時(shí)間。拼裝施工在保證質(zhì)量的同時(shí)可以達(dá)到速度快、縮短工期并且降低成本；此外，由于施工過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲較低，使得大量散料、廢料和污水的排放量較低，對(duì)周邊的環(huán)境起到了很好的保護(hù)作用。

我們國(guó)家預(yù)制裝配式建筑發(fā)展的道路上主要受以下2 個(gè)原因的影響：

1）自身?xiàng)l件原因：社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力不夠強(qiáng)，建設(shè)前期投入成本較高，勞動(dòng)力成本上升，預(yù)制裝配式構(gòu)配件的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)技術(shù)也比較落后，建筑工程質(zhì)量和技術(shù)基礎(chǔ)達(dá)不到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，與發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)工藝技術(shù)相比，我國(guó)裝配式建筑工程技術(shù)相差甚遠(yuǎn)，裝配式建筑行業(yè)工藝流程、技術(shù)工人、基本體系和管理制度等方面也極不完備，急需提高。

2）外界社會(huì)原因：裝配式建筑的發(fā)展與社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技發(fā)展水平等方面息息相關(guān)，其中國(guó)家支持力度的效果最為重要，國(guó)家政策鼓勵(lì)引導(dǎo)裝配式建筑技術(shù)發(fā)展，提高宣傳力度和綜合競(jìng)爭(zhēng)力，完善法律法規(guī)、制度標(biāo)準(zhǔn)，為裝配式建筑的提升和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，相信裝配式建筑將會(huì)給這個(gè)領(lǐng)域注入新的力量。

2 裝配式砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于砌體墻抗震性能的研究主要包括：在砌體填充墻理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段，建立砌體填充墻的力學(xué)模型，揭示砌體填充墻的破壞機(jī)制，篩選新型墻體材料，并實(shí)現(xiàn)改進(jìn)砌體填充墻與框架的連接，對(duì)砌體填充墻的平面外抗震性能進(jìn)行分析。

國(guó)外關(guān)于填充墻體的平面外效應(yīng)的研究始于1950 年代，最初主要集中在爆破荷載作用下的平面外效應(yīng)，隨著震害的增加，人們對(duì)其的關(guān)注逐步轉(zhuǎn)向地震作用下的平面外效應(yīng)。拱形受力機(jī)理的揭示，是對(duì)砌塊填充墻平面外受力研究的一次重要突破。此后，許多學(xué)者采用各種實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)影響填充墻平面外性能的因素，比如墻體自身的高厚比、墻體的使用材料、以及墻體與框架之間的連接方式和加固措施等進(jìn)行了研究。近年來(lái)，以ANSYS 和ABAQUS 為主要工具的填充體壁面外有限元仿真，可極大降低研究費(fèi)用，增加工況個(gè)數(shù)，而且，由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)容易處理，可以避免人為誤差，所以受到了廣泛的關(guān)注。

2.1 砌體墻抗震性能的國(guó)外研究現(xiàn)狀

WALSH[1]通過(guò)對(duì)6 種不同結(jié)構(gòu)類型的19 塊磚石砌體墻體的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并與現(xiàn)有的理論模型進(jìn)行比較，分析其在實(shí)際工作狀態(tài)和假定理想狀態(tài)下的受力—位移特性。他所做的試驗(yàn)，除了對(duì)墻體的幾何形態(tài)、邊界條件進(jìn)行研究外，還在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)墻體的破壞狀況、材料特性等進(jìn)行了考慮。并在此基礎(chǔ)上給出了目前的預(yù)測(cè)方法。

ASTERIS[2]根據(jù)以往所觀察到的砌體墻地震破壞現(xiàn)象，提出了新的觀點(diǎn)，即被地震作用削弱的填充墻可能會(huì)引起地震平面外失效的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)提升，他認(rèn)為拱承載機(jī)制也會(huì)顯著提高砌體墻平面外的抗震性能。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了磚砌填充墻框架結(jié)構(gòu)在地震作用下和側(cè)向地震作用下的地震反應(yīng)計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，利用有限元分析和非限性有限元分析相結(jié)合的方法，對(duì)平面外拱的受力機(jī)理進(jìn)行了研究。

2.2 砌體墻抗震性能的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

熊麗紅等[3]利用有限元軟件ABAQUS 對(duì)裝配式混凝土砌塊墻體的平面外地震行為進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得出結(jié)論：隨著高、厚比的減小，填充墻的面外承載力逐漸增大，而在高、厚比小于10 時(shí)，填充墻的延性明顯降低；填充墻的配筋率與其極限承載力基本成正相關(guān)，但超過(guò)0.2%后，其延性也有所降低；當(dāng)高厚比為15 ～20，配筋比例為0.1%～0.2%時(shí)，墻體的受力性能表現(xiàn)為適筋韌性；由于填充墻與框架間設(shè)置了雙向撓性節(jié)點(diǎn)，因此，填充墻具有一定的延性。

周云等[4]對(duì)3 個(gè)具有面內(nèi)擬靜力加載的阻尼填充墻體，開(kāi)展面外荷載作用下墻體的力學(xué)性能、變形形態(tài)及破壞特點(diǎn)等方面的研究。研究發(fā)現(xiàn)，阻尼填充墻體在平面外的受力表現(xiàn)可以視為彈性、彈塑性、塑性、破壞這4 個(gè)階段；SBS（Styrene-Butadiene-Styrene）改性瀝青的減震層則可較好控制變形，形成拱形承重機(jī)制，使墻體在外露荷載作用下可承受9 度地震；且拉結(jié)筋可作為墻體發(fā)生大變形時(shí)的“二次防護(hù)”。

陽(yáng)超[5]開(kāi)展裝配式混凝土砌塊填充墻體的平面外地震反應(yīng)及墻體的受力分析，并結(jié)合墻體的受力分析結(jié)果，提出合理配筋對(duì)墻體承載能力及延性的影響。在此基礎(chǔ)上，選擇4 組填充墻體框架進(jìn)行平面外地震性能試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)各構(gòu)件承載力、變形等數(shù)據(jù)的分析，得到不同高厚比、不同節(jié)點(diǎn)形式下填充墻體平面外破壞形態(tài)的變化規(guī)律。

2.3 目前研究存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

裝配式砌體墻具有很多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于民用建筑中。但由于自身結(jié)構(gòu)存在的一些問(wèn)題，在地震的作用下結(jié)構(gòu)本身非常容易發(fā)生破壞。目前研究中存在的問(wèn)題及砌體墻研究的發(fā)展趨勢(shì)如表1 所示。

表1 裝配式砌體墻研究中存在的問(wèn)題及發(fā)展

3 砌體抗震性能的非線性有限元分析

3.1 砌體抗震的彈塑性受力分析

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用非線性有限元方法對(duì)受壓砌體進(jìn)行了彈塑性分析，并對(duì)其計(jì)算模型、材料的本構(gòu)關(guān)系、破壞判段依據(jù)和分析方法的建立作了一些有益的探索。關(guān)于砌體抗震的彈塑性受力分析方法總結(jié)如表2 所示。

表2 關(guān)于砌體抗震的彈塑性受力分析方法總結(jié)

劉桂秋[6]按照他們所認(rèn)為的在剪切與擠壓條件下的砌體損傷規(guī)律，采用MSC.Marc 方法對(duì)砌塊墻進(jìn)行了本構(gòu)的非線性數(shù)值模擬分析，并由此得出了墻體開(kāi)裂壓力、極限水平抗剪強(qiáng)度，及其對(duì)應(yīng)的建筑物頂部極限水平應(yīng)變的預(yù)測(cè)值，這些預(yù)測(cè)結(jié)果都與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果相吻合。趙衍[7]采用MSC.Marc 中所提供的低拉伸材料的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)混凝土小型砌塊墻體進(jìn)行了非線性有限元分析，所得出的破壞荷載與試驗(yàn)平均值吻合比較理想。

目前對(duì)砌體抗震性能的有限元研究大部分采用的是整體式建模。除此之外，不少學(xué)者嘗試采用分離式建模對(duì)砌體墻體進(jìn)行分析，得到了更為精細(xì)的研究結(jié)果。朱伯龍等[8]通過(guò)擬靜力實(shí)驗(yàn)，對(duì)砌塊墻進(jìn)行了彈塑性分析，在灰縫中使用了零厚的接觸單元，并考慮了砂漿的剪切、壓縮和拉伸剛度，并使用了Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則，分析與試驗(yàn)較吻合。王述紅等[9]通過(guò)應(yīng)用損傷力學(xué)的概念，對(duì)砌體在抗折、局部抗壓、剪壓復(fù)合作用下的受力及變形進(jìn)行了細(xì)觀的模擬。并且通過(guò)將基質(zhì)基元、空氣基元、接觸基元之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，成功模擬了裂縫的開(kāi)、閉及在裂縫面上的應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 目前研究存在的主要問(wèn)題

由于砌體結(jié)構(gòu)非線性有限元模擬的復(fù)雜性，目前在模型選取、材料本構(gòu)、裂縫模擬、迭代算法、收斂準(zhǔn)則等有限元分析的關(guān)鍵問(wèn)題方面尚未總結(jié)出一般性的規(guī)律和結(jié)論可供參考。因此，如何從實(shí)際工程的角度出發(fā)，考慮砌體結(jié)構(gòu)的各種非線性因素，將砌體結(jié)構(gòu)非線性有限元分析方法應(yīng)用于裝配式砌體結(jié)構(gòu)抗震性能分析是值得進(jìn)一步深入研究和探討的課題。

4 裝配式砌體結(jié)構(gòu)未來(lái)發(fā)展

裝配式砌體結(jié)構(gòu)是將建筑物的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行工業(yè)化預(yù)制生產(chǎn)，并在現(xiàn)場(chǎng)完成組裝的一種建筑模式。與傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)施工方式相比較，預(yù)制裝配式砌體結(jié)構(gòu)的施工速度更快，施工周期也更短，并且施工質(zhì)量更容易得到保證，與“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、高效、節(jié)能、環(huán)保”的建筑理念相符合，這對(duì)于我國(guó)提高生產(chǎn)力水平、推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)等都有很大的幫助[10]。傳統(tǒng)的小塊粘土磚以其耗能大、毀田多，運(yùn)輸量大的缺點(diǎn)越來(lái)越不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的要求，對(duì)其改革勢(shì)在必行。復(fù)合砌塊墻體材料，也是今后的發(fā)展方向。我國(guó)在復(fù)合墻體材料的應(yīng)用方面已有一定基礎(chǔ)，宜進(jìn)一步改善和完善配套技術(shù)，大力推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，由于中國(guó)建筑行業(yè)的工業(yè)程度進(jìn)一步提高，對(duì)裝配式施工建筑物結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論研究成果和建造技術(shù)規(guī)范也日趨完善，加上地方政府部門的不斷加力促進(jìn)，中國(guó)裝配式施工建設(shè)發(fā)展的趨勢(shì)日新月異。希望經(jīng)過(guò)本文的分析研討，能夠?qū)ν苿?dòng)裝配式砌體結(jié)構(gòu)在中國(guó)的迅速高效發(fā)展起到一定作用。