磚混校舍橫墻地震破壞機理研究

蔣巍

摘 要：對磚混校舍橫墻在地震中的典型震害進行了分析，通過試驗對橫墻構件的典型破壞模式及破壞機理進行了研究，探討了磚混校舍橫墻的延性。結果表明，墻體發生剪摩破壞時，在摩擦耗能階段具有穩定的滯回耗能能力，特別是進入剪摩狀態后，摩擦力提供了墻體大部分延性，承載力持續穩定，屬于理想的破壞模式。

關鍵詞：磚混校舍；橫墻；破壞機理；延性；試驗研究

引言

磚混結構校舍有別于普通磚混結構住宅，具有大開間、橫墻數量很少的典型特點，結構體系的冗余度和安全儲備均較低。汶川大地震中砌體結構校舍大量破壞[1]～[3]，部分教學樓嚴重破壞甚至粉碎性倒塌，造成巨大的生命威脅和財產損失。磚混結構校舍在特大地震作用下的抗倒塌能力成為人們關注的重要問題，現行《砌體結構設計規范》對磚混結構校舍這類特殊的結構形式的抗地震倒塌設計缺少特別的規定。因此，研究橫墻的破壞機理及發生條件對于充分發揮墻體的抗震性能以及進一步完善大開間砌體結構的抗震設計等都具有重要意義。

文章結合磚混結構校舍橫墻的震害特征，初步分析了震害原因，并通過構件試驗對橫墻典型破壞模式的形成機理進行了試驗研究。

1 磚混校舍橫墻典型震害

磚混結構校舍的橫墻進深較大，高寬比較?。?.5左右），橫向地震作用下，墻體既是抗側力構件，也是耗能構件。

圖1 橫墻典型震害

圖1為磚混結構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重，其他各層的破壞模式基本相似。

2 震害成因分析

磚混結構校舍一般為3～5層，層高3.6m左右的建筑，地震響應以基本振型為主，這種短周期結構的側向變形能力非常有限，結構的動力響應對地震動峰值加速度較為敏感。宏觀震害調查和試驗研究均表明，磚砌體結構的主要破壞形式是層間剪切變形引起的脆性剪切破壞。底層墻體則是因為處于最不利工作狀態，因此往往破壞也最為嚴重。

橫墻構件進深大、高寬比小以及軸壓比小等特點決定了其具備剪摩破壞的發生條件。

文章按照1/2的縮尺比例制作試件，通過擬靜力試驗對橫墻的抗震性能和典型破壞的形成機理進行了研究。

2.1試驗概況

墻體試件設計參數如表1所示。墻體試件采用規格為240mm×115mm×53mm的標準燒結頁巖磚和混合砂漿砌筑而成，設計強度分別為MU10和M10，構造柱混凝土設計強度C25。HQ、ZQ-2和ZQ-3試件構造柱中縱筋均為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定值并保證其持續恒載直至試驗結束，水平荷載施加采用力和位移混合控制，即墻體開裂前以20kN（橫墻試件）或10kN（縱墻試件）為級差荷載控制加載，每級循環1次，裂縫出現后以開裂位移的整數倍進行位移控制加載，每級循環2～3次，直到承載力嚴重下降或無法進一步加載。

表1 試件參數和結果

2.2 試驗結果及分析

當荷載達到420kN時，首先在墻體底部沿第一皮磚下表面出現初始裂縫，為彎曲型變形裂縫，墻體開裂位移Δ=0.3mm。9Δ位移正向加載過程中，主拉應力失效造成墻體表面突然出現兩條大致呈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，進一步增大位移后試件進入摩擦耗能狀態，變形主要表現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，同時底部兩條斜裂縫新增多條呈帶狀分布的次生裂縫。橫墻試件整體表現出剪摩型破壞的特征，最終破壞狀態和滯回曲線見圖2a、b，裂縫狀態分布與實際震害較為一致，破壞過程經歷開裂、極限承載力狀態和剪摩狀態三個階段，在進入臨界剪摩狀態之前靠材料的強度破壞耗能，滯回環狹窄，中間摩擦滑移裂縫的出現會造成承載力的突然下降，但此后墻體很快進入穩定的摩擦耗能狀態，滯回曲線由反“S”形向“紡錘”形過渡，主要靠摩擦而不是破壞實現耗能發揮墻體的抗震性能，因此屬于比較理想的耗能模式。

2.3 破壞特點分析

當位移達到一定程度時，墻體首先沿階梯形灰縫在兩對角位置各出現一條大致呈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，反向加載過程中發生直剪破壞，產生一條滑移裂縫（圖3a）。繼續增大位移時墻體沿對角新增兩條剪切裂縫，并與直剪裂縫相交后形成貫通裂縫，此時墻體被明顯分為四塊（圖3b），在進一步的反復加載過程中墻體試件的變形主要表現為兩組斜裂縫的交替閉合和沿水平滑移裂縫的滑移，表明試件進入摩擦變形狀態，該試件的破壞模式可稱之為剪切-摩擦破壞（簡稱剪-摩破壞），墻體的主裂縫分布狀態與實際震害較為一致。隨位移的不斷增加，斜裂縫寬度不斷增大，同時下部兩條斜裂縫附近墻體中新增多條次生裂縫，磚塊酥碎，裂縫在較大范圍內呈帶狀分布，構造柱端部剪切破壞形成塑性鉸后中部發生明顯的外鼓變形（圖3c），因而對破壞墻塊的約束作用明顯減弱，進一步加載時兩側的破壞墻塊不斷被推出，試件發生較大的殘余變形，導致墻體在極限變形之后的垮塌破壞較快。

橫墻類型的構件具有懸臂深梁平面應力狀態的受力特征，由于墻體高寬比較小，面內變形能力非常有限，彎矩作用并不明顯，在達到極限承載力之前剪應力起控制作用，因此主要靠材料的強度破壞實現耗能，進入剪摩狀態后靠沿中間灰縫的干摩擦實現穩定耗能，使結構沿處于一種破壞安全極限狀態。根據摩爾庫侖準則，在高度非線性變形區域，摩擦力提供了大部分的延性。

3 磚混結構橫墻的延性

延性是反映結構和構件變形能力、安全儲備水平和耗能能力高低的重要指標，一般指結構或構件發生較大的變形而承載力卻未明顯降低，當結構遭遇地震作用時，結構的變形能力得到維持。對磚混結構而言，由于墻體組成材料的脆性等原因，磚混教室中的墻體構件本身不具有延性或延性較差，結構的延性即結構整體破壞后發生很大變形而不倒塌的能力，對于橫墻而言，主要是通過合理的破壞模式（如橫墻剪摩破壞），利用摩擦耗能實現相當的延性。

4 結束語

磚混結構校舍橫墻的進深較大， 高寬比較小，按照規范要求配置構造柱同時保證墻體與基礎梁之間不發生剪切滑移或受拉脫開時，墻體發生剪-摩型破壞且滑移裂縫較長，摩擦耗能階段墻體具有穩定的滯回耗能能力，特別是進入剪摩狀態后，摩擦力提供了墻體大部分延性，承載力持續穩定，屬于理想的耗能機制。

參考文獻

[1]王立成.汶川地震后學校砌體建筑結構破壞情況調查與分析[J].大連理工大學學報，2009，49（5）：650-656.

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

[3]林樹枝，李剛，程耿東.提高學校建筑抗震能力的對策建議[J].大連理工大學學報，2009，49（5）：644-649.