砌體結構房屋加固足尺實驗模型數值模擬

閤東東， 陳 曦， 苗啟松， 李文峰

(北京市建筑設計研究院，北京 100045)

我國是世界上地震災害最嚴重的國家之一。2008年的汶川地震造成直接經濟損失8451.4億元，死亡8.7萬多人，未經抗震設防的多層砌體結構房屋震害相當嚴重［1～3］。

北京市處于華北地震帶上，歷史上在北京地區及其附近曾多次發生過地震，北京地區上世紀七、八十年代的住宅建筑多采用北京市建筑設計研究院編制的73年乙系列住宅標準圖以及76年1系列住宅標準圖，后者標準圖如圖1所示。該類型建筑多為典型的多層單元式砌體結構住宅，沒有設置圈梁和構造柱。這些建筑難以抵御6級以上的破壞性地震，已成為首都防震減災工程中的薄弱環節，必須逐步予以解決。

圖1 北京市76年1類住宅示意圖

據估計，北京地區約有7000萬m2的磚混結構房屋，由于受當時的社會經濟制約，其抗震設防水平較低。且至今已使用了30余年，結構材料已經老化，整體抗震性能較差，多數建筑未進行過抗震加固。建筑外飾材料脫落，部分構件已經毀壞，有些建筑甚至破舊不堪;多數建筑未進行過節能改造，居住舒適性較差，能源消耗量大。由于地震發生的不確定性和突發性，為了減少可能的地震對城市造成破壞，需要對既有的抗震能力較低的建筑進行逐批加固，逐步提高其抗震設防水平，提高首都的整體抗震防災能力。鑒于北京地區該類建筑量大面廣，要對如此眾多的建筑進行加固，如采用傳統的混凝土板墻加固，存在如下問題:

(1)傳統加固方法需要入戶施工，居民需搬遷。政府難以安排大量周轉房來解決加固房屋居民的周轉問題。同時周轉的組織和實施的難度也十分困難。傳統加固方法施工周期長，一般加固方法施工周期約需要4 ～6 個月［4，5］。

(2)傳統加固方法需要較大的施工場地，多為現場澆筑或噴射混凝土施工［5］，施工現場質量控制難度大，噴射混凝土反彈量大，浪費較大，擾民嚴重，對周圍環境影響較大。

唐山地震后采用應急加固方法(捆綁式)抗震加固效果無法滿足當前要求，且外觀難看。因此要在幾年內解決首都老舊房屋的抗震加固問題，必須研究一種加固技術解決上述幾個難題，并同時解決節能保溫和外立面改造。北京市建筑設計研究院提出一種基于裝配式技術的加固體系，該技術采用工業化生產技術，大部分制品由工廠生產，現場安裝，濕作業少，施工周期快，對周圍居民干擾小，對環境影響小;結構加固體系對住戶干擾小，入戶工作量很少，居民不必搬出，解決居民搬遷周轉問題;保溫節能及外立面裝飾改造一體化解決，房屋安全、居民居住條件、社區環境一并改善;綜合造價低，經濟性好。

采用外套預制裝配式結構加固無圈梁和構造柱的砌體結構，利用外加預制鋼筋混凝土墻承擔大部分的地震作用［6～8］，結構型式從單純的砌體結構改變為混凝土-砌體混合結構。由于與傳統的普通單、雙面板墻加固方法有很大不同，且原砌體結構無圈梁與構造柱，因此，需要對加固后的混合結構和原砌體結構的抗震性能進行評估。北京市建筑設計研究院設計了5層外套預制結構加固的砌體結構模型，并委托中國地震局工程力學研究所開展混合結構的擬靜力和擬動力試驗，但該試驗僅能直觀考察混合結構的抗震性能，對砌體結構的抗震性能無法評估，由于實驗需要高昂的費用，再做一個未加固的砌體結構抗震性能試驗存在困難，也是不必要的。本文通過ABAQUS軟件分析對該足尺試驗模型進行了數值模擬研究，對原砌體結構和混合結構的地震作用進行了分析，為這類砌體結構的加固提供一些設計參考。

1 模型概況

以圖1所示的76年1系列住宅標準圖設計原始模型，取其中典型的兩個開間作為試驗單元，按照1∶1的比例進行設計。為了考察扭轉成分對加固結構的不利影響，試驗單元采用反對稱設計。試驗模型長9.48 m，寬6.24 m，高14.20 m(不含地梁高度)，共5層。結構首層至4層樓板采用120 mm厚預制混凝土空心板，五層采用200 mm厚預制混凝土空心板，板間縫隙用C30細石混凝土填實。足尺實驗模型的平面圖和側立面圖分別如圖2和圖3所示。模型的抗震構造措施與原有建筑相同:一、三層采用配筋磚圈梁，五層采用現澆圈梁形式。模型設計中涉及到的磚砌體、混凝土以及砂漿的設計強度按照檢測結果確定，各層磚砌體設計強度等級均為MU10，第一層，二、三層，四、五層砂漿的設計強度分別為M2.5、M1.8和 M1.0。模型中所用縱向鋼筋為HRB335，箍筋為HPB235，鋼材為Q235B。模型三維效果如圖4所示，該模型加固細部構造如圖5所示。

圖2 足尺試驗模型平面圖

圖3 足尺試驗模型側立面圖

圖4 加固后模型三維效果圖

圖5 模型加固細部構造圖

2 模型建立

2.1 材料本構模型

鋼材本構模型采用隨動硬化模型，可以考慮包辛格效應。ABAQUS中損傷塑性模型(Damaged Plasticity Model)可考慮混凝土材料拉壓強度的差異，剛度、強度的退化。混凝土材料進入塑性狀態時伴隨著剛度的降低，剛度損傷可以通過受拉損傷參數和受壓損傷參數來表達，適用于模擬循環荷載、動態荷載及考慮應變率影響時的結構或構件。由于砌體結構中砌體和砂漿均屬于非線性材料，且兩者力學性能的差異性較大，兩者之間的相互作用也較為復雜，該模型將砂漿和砌塊作為一個整體考慮，不考慮砂漿和砌體之間的相互作用，也采用損傷塑性模型。

2.2 單元類型

殼單元主要用于模擬那些厚度方向尺寸遠小于另外兩維尺寸，且垂直于厚度方向的應力可以忽略的結構。ABAQUS/Standard中，一般的三維殼單元有三種單元列式:一般殼單元、薄殼單元和厚殼單元。對于殼單元來說，其每個單元節點上有6個自由度，包括3個平動自由度和三個轉動自由度。當一個薄壁構件的厚度小于整體結構尺寸時(一般小于1/10)，并且厚度方向的應力可以忽略時，ABAQUS建議用殼單元模擬構件。

砌體采用厚殼單元模擬。將鋼筋和混凝土作為一個整體考慮，即視為連續均勻材料，采用厚殼單元模擬，樓板和剪力墻中鋼筋對于結構的貢獻通過Rebar Layer來實現。Rebar layer法是將鋼筋以鋼筋層的形式引入到實體單元中，鋼筋層通過三維殼單元或者膜單元模擬，通過材料屬性(Property)定義將鋼筋層的力學特性賦予這個殼單元或者膜單元，從而完成對混凝土內鋼筋的定義。分層殼單元根據復合材料原理將殼分成多層，可考慮面內彎曲-面內剪切-面外彎曲之間的耦合作用，能夠較全面地反映殼體結構的空間力學性能［9，10］。這里采用分層殼單元模擬砌體結構外縱墻與外貼混凝土墻片的力學性能。

2.3 有限元模型建立

采用有限元分析軟件ABAQUS進行建模時，該配重質量只能通過Load的形式施加在結構各層樓面上。地震作用時，這部分質量并未參與結構的動力響應計算，而只以豎向力的形式出現，與真實情況不相符合。本文采用結構設計軟件SAP2000建立足尺試驗模型，在SAP Mass Source選項中，定義質量來源于Element and Additional Mass and Loads，劃分好網格后，將SAP2000 V14中模態分析后的mdb文件生成inp文件，進行動力分析。導入ABAQUS后的模型結構的質量被完全賦予了單元的各個節點，因此，在ABAQUS中無需再對結構賦予重力，直接進行地震響應分析即可。有限元模型如圖6所示，X方向代表縱墻方向，Y方向代表橫墻方向，采用Rayleigh阻尼模型，結構第一、二階阻尼比取0.05，試驗振動測試和數值模擬得到的結構頻率如表1所示，從表中可以看出，除未加固時縱墻方向的數值模擬和振動測試頻率差異較大之外，其他幾種情況得到的頻率差異較小，說明數值模擬具有一定的參考意義。

圖6 模型三維有限元模型

表1 結構自振頻率數值模擬結果

3 計算結果及分析

擬動力試驗時采用的地震波為El Centro波，其前15 s的加速度曲線如圖7所示，地震波峰值加速度調幅到0.15g，采用隱式算法進行動力分析。圖8與圖9分別給出了砌體結構橫墻和縱墻方向的基底剪力時程曲線。加固后砌體結構所承擔的基底剪力大大減小，加固前砌體橫墻基底剪力為627762 N，加固后減小到278595 N，縱墻基底剪力從加固前的314138N減小到加固后的110179 N。圖10和圖11分別給出了結構橫墻方向和縱墻方向的層間位移比較曲線，從圖中可以看出加固后砌體結構的層間位移大大減小。對于加固前后的結構底層層間位移，橫墻方向由4.5 mm減小到0.78 mm，縱墻方向由9.3 mm減小至2.3 mm。

圖7 El Centro波加速度時程曲線

圖8 砌體結構橫墻方向的基底剪力時程曲線

圖9 砌體結構縱墻方向的基底剪力時程曲線

圖10 橫墻方向的層間位移

圖11 縱墻方向的層間位移

圖12和圖13分別給出了加固后結構橫墻和縱墻方向的基底剪力時程曲線，從圖中可以看出，外加混凝土剪力墻片承擔了大部分基底剪力，起到了較好的加固效果。由于砌體結構抗拉強度極低，但其與外加混凝土預制墻片組成組合構件，其抗壓強度可以得到一定的發揮，但其延性需要專門研究。橫墻方向的墻片可以看做縱墻外貼混凝土墻片的翼緣，增大了外貼墻片的剛度，導致縱墻方向的地震剪力主要由外套剪力墻承擔。

圖12 橫墻方向的基底剪力

圖13 縱墻方向的基底剪力

4 結論

采用預制裝配式混凝土剪力墻對無圈梁和構造柱的老舊砌體結構住宅進行加固，對該種加固形式的足尺試驗模型進行了數值仿真分析。本文研究表明加固后原砌體結構橫墻和縱墻方向的基底剪力和層間位移均大大減小，說明采用預制鋼筋混凝土墻加固砌體結構起到了較好的抗震加固效果，這種加固方法具有較好的應用前景。

［1］李英民，韓 軍，劉立平.“5.12”汶川地震砌體結構房屋震害調查與分析［J］.西安建筑科技大學學報(自然科學版).2009，41(5):606-611.

［2］中國建筑科學研究院.2008年汶川地震建筑震害圖片集［M］.北京:中國建筑工業出社，2008.

［3］王 威，周 穎，梁興文，等.砌體結構在2008汶川大地震中的震害經驗［J］.地震工程與工程振動，2010，30(1):60-68.

［4］林 瑋，李巨文.多層砌體房屋抗震加固方法評述［J］. 地震工程與工程振動，2006，26(6):145-146.

［5］康艷博，鞏正光，宋 紅，等.混凝土板墻加固磚墻抗震性能綜述［J］.工程抗震與加固改造，2010，32(4):80-85.

［6］信 任，姚繼濤.多層砌體結構墻體典型抗震加固技術和方法［J］.西安建筑科技大學學報(自然科學版)，2010，42(2):251-255.

［7］高劍平.磚混房屋整體式外套框架加層結構分析［J］.華東交通大學學報，2007，24(1):40-43.

［8］任曉崧，劉 創.外套鋼筋混凝土墻的多層砌體結構抗震性能分析［J］.建筑結構學報，2010，31(S2):334-338.

［9］林旭川，陸新征，繆志偉，等.基于分層殼單元的RC核心筒結構有限元分析和工程應用［J］.土木工程學報，2009，42(3):49-54.

［10］繆志偉，陸新征，葉列平.分層殼單元在剪力墻結構有限元計算中的應用［J］.建筑結構學報，2006，27(S2):932-935.