北京地區典型磚木結構農宅抗震加固性能研究

北京地區典型磚木結構農宅抗震加固性能研究

王滿生1，趙曉敏1，紀曉東2，趙作周2

(1.北京市房地產科學技術研究所，北京 100021;

2.清華大學 土木工程系,土木工程安全與耐久教育部重點實驗室，北京 100084)

摘要：根據北京地區農村住宅調研結果，選取最典型的磚木(前檐磚柱支撐)結構，進行了加固前后的振動臺試驗。針對北京地區農村住宅磚木結構(磚柱支撐)未加固模型的振動臺試驗結果，提出了抗震加固措施，包括：加設鋼筋混凝土窗框，增大前縱墻的抗側剛度；采用水泥砂漿面層加固兩面山墻、磚柱和窗下墻，提高墻體的承載和變形能力；加設鋼圈梁，提高結構的整體牢固性。分析了模型加固前后振動臺試驗的損傷情況、頻率和阻尼、加速度動力系數、位移和滯回曲線等結構動力特性參數。上述加固措施顯著提高了此類磚木結構農宅的抗震能力，加固模型達到了“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

關鍵詞：磚木結構、振動臺試驗、抗震性能、抗震加固

Received:2015-07-30

Foundation item：The Key Project Supported by Beijing Municipal Commission of Science(No.D141100002614002);The Project Supported by Beijing Finance (No.PXM2010—161102—096238)

近年來，汶川地震和玉樹地震等頻發的地震給農村既有住宅導致災難性破壞，也給了人們很大的警示與教訓[1-2]。北京地區地處燕山地震帶與華北平原中部地震帶的交匯處，緊鄰汾渭地震帶和郯廬深大斷裂地震帶，是一個地震多發區，歷史上曾遭受過多次強烈地震的破壞和影響，大部分地區屬于8度抗震設防。地震危險是北京建設發展中必須考慮的一個重要因素。北京農村住宅調研結果[3-4]指出，北京農村的民宅均為自建房且多為單層磚砌體結構，建國以來一直沒有被納入政府的監管體系中。受經濟條件的限制和農村傳統風俗、建筑習慣的影響，加之農居建設法律法規和技術標準不健全，總體來看，北京農宅抗震設防狀況令人擔擾。北京地區既有農宅大部分為單層磚砌體結構，對磚砌體結構，利用振動臺試驗或低周往復荷載試驗等來分析砌體結構的整體抗震性能，相關文獻[5-15]中有所涉及，但是針對農村單層住宅結構進行大比例尺寸模型的振動臺試驗抗震性能的相關研究較少[10-12]。

根據北京農村住宅調研結果[3-4]，北京農宅共有3類，一類為磚木結構(磚柱)。這類住宅多建造于20世紀80~90年代，雙坡頂單層建筑，3~6開間，4開間居多，磚木結構，山墻為370 mm厚磚墻，后縱墻為240 mm或370 mm厚磚墻，一般不開門窗，前縱墻的門窗洞口大。木屋架(少量為鋼屋架)的一端支承在后縱墻上，一端支承在前縱墻的木柱上，或支承在前縱墻的磚柱上。山墻為硬山擱檁。墻體與磚柱采用白灰砂漿或混合砂漿砌筑。這類農宅約占北京市現有農宅的70%左右。這類農宅的特點是前、后縱墻的抗側剛度懸殊，沒有任何抗震構造措施，抗震能力低。本文研究分析了磚木結構(前檐磚柱支撐)加固前后模型的振動臺試驗數據，通過對試驗結果的對比分析，研究抗震加固措施的有效性與加固效果。

1試驗模型設計

1.1　未加固模型

未加固模型尺寸設計如圖1所示。其平面尺寸為4.09 m×5.86 m，屋脊高度3.38 m，檐口高度2.2 m，外墻厚均為240 mm，前檐磚柱平面尺寸為240 mm×240 mm。前縱墻設置木門框和木窗框。墻體、磚柱均采用MU7.5的粘土磚砌筑，粘土磚的尺寸為240 mm×115 mm×53 mm，砌筑砂漿為泥漿。屋蓋采用木屋架、木檁條和木望板，其中木屋架托梁直接擱置在后縱墻上和前檐磚柱頂部，山墻采用硬山擱檁，屋架木托梁、檁條與磚墻和磚柱沒有拉結措施。

圖1　未加固模型設計Fig. 1　The initial model

1.2　抗震加固模型制作

根據前期研究，針對磚木結構農宅的結構特點，提出了一系列的抗震加固措施，并進行了一系列的抗震試驗研究[10-14]。其中王滿生等[10]對磚木結構(前檐木柱支撐的情況)的抗震性能進行了研究，通過單層了開間木柱支撐磚木結構原型進行了振動臺試驗，分析了該結構的抗震能力及該類型房屋的抗震薄弱點，為該類型農宅的抗震加固方案提供依據；紀曉東等[11]對磚木結構(前檐磚柱支撐的情況)的未加固以及采用增加鋼門窗框和鋼板圈梁等加固措施模型的抗震性能對比研究；楊威等[12]對磚木結構(前檐磚柱支撐的情況)的未加固模型抗震性能進行了研究，通過單層3開間磚柱支撐磚木結構振動臺試驗，得出該類型農宅的抗震性能，為加固措施的制定提供依據。主要針對北京地區磚木結構農宅(前檐磚柱支撐)提出采用混凝土窗框、水泥砂漿單面加固等加固措施進行振動臺實驗研究，并與未加固模型進行抗震性能對比分析。本文中的抗震加固振動臺模型尺寸與未加固模型相同，采用了如下主要的抗震加固措施：

1)在原窗框洞口加設鋼筋混凝土窗框，并與四周的墻體、磚柱、木臥檁加強拉接。鋼筋混凝土窗框寬度為80 mm，厚度同墻同厚。在窗框左右兩邊分別布設3根Φ10穿墻鋼拉桿，分別與山墻和磚柱連接，在窗框上下端分別布設2根Φ10鋼拉桿，與臥檁和窗下墻連接。

2)兩面山墻采用水泥砂漿面層單面加固。分層抹水泥砂漿面層，水泥砂漿強度等級為M5，厚度為20 mm。

3)鋼板圈梁的鋼板厚6 mm、高100 mm，設置穿墻拉結螺桿@800 mm，將鋼板與磚墻固定。后縱墻上的鋼板圈梁與木托梁同高，鋼板圈梁在山墻前檐口處通過鋼筋拉桿和U形卡與臥檁連接，前檐兩根臥檁之間采用鋼鈀釘連接。兩端山墻及后縱墻的鋼板與臥檁形成閉合圈梁。此外，通過鋼筋拉桿和圓形卡加強后縱墻上木托梁端部與鋼板圈梁的拉結，防止木托梁拔出。圖2所示為抗震加固模型制作的照片。

圖2　抗震加固模型照片Fig.2　The strengthed

2.3　加載制度

未加固模型、抗震加固模型試驗均按圖3所示進行加載，包括X向8度小震、X向8度中震、Y向8度中震和X向8度大震。

圖3　試驗加載工況Fig.3　Testing loading

試驗中，未加固模型Y向8度中震后，模型已嚴重破壞，拆除了加速度計和位移計，未測到X向8度大震的地震反應數據，僅記錄了模型損傷和裂縫發展。X向8度小震工況時實測臺面加速度峰值為0.073~0.076 g，X向8度中震工況時實測臺面加速度峰值為0.17~0.22 g，Y向8度中震工況時實測臺面加速度峰值為0.18~0.21 g。

抗震加固模型X向8度大震后，還進行了8度XY雙向JMA Kobe波加載，為防止量測儀器被損壞，此工況加載時拆除了加速度傳感器，因此未記錄此工況的試驗數據。X向8度小震工況時實測臺面加速度峰值為0.073~0.079 g，X向8度中震工況時實測臺面加速度峰值為0.19~0.23 g，Y向8度中震工況時實測臺面加速度峰值為0.22~0.24 g，X向8度大震工況時實測臺面加速度峰值為0.39~0.42 g。

2試驗結果分析

2.1　未加固模型的損傷與裂縫發展

圖4所示為各工況加載后觀察到的裂縫分布。

圖4　未加固模型裂縫圖Fig.4 The test cracking diagram of the initial

根據文獻[11]、[12]中對磚柱支撐的未加固模型振動臺實驗模型損傷情況的描述，主要表現在：1)X向8度小震下，山墻前檐口外閃，山墻底部出現水平裂縫，窗下墻與山墻連接交界處開裂，磚柱在窗下墻高度處出現斜裂縫，最大縫寬約0.2 mm。2)X向8度中震下，山墻前檐口外閃劇烈，山墻出現貫穿的斜向裂縫；磚柱搖擺明顯，磚柱上形成多條斜裂縫，在窗下墻高度處裂縫寬度達3 mm；后縱墻出現豎向裂縫。3)Y向8度中震下，后縱墻檐口中部平面外位移明顯，后縱墻出現“八”字形和倒“八”字形斜向裂縫，部分斜向裂縫與兩側山墻上的裂縫連通。4)X向8度大震下，山墻前檐口外閃非常嚴重，磚柱劇烈搖擺；山墻上已有的斜向裂縫加寬，最大縫寬達8 mm，并出現新的斜向裂縫，裂縫兩側磚塊發生局部錯動，最大達10 mm，個別磚塊表面受壓剝落；磚柱在窗下墻高度破壞明顯，部分磚塊沿裂縫錯動；木窗框和門框變形嚴重；木托梁在后縱墻支承處被拔出約10 mm。

3.2　抗震加固模型的損傷與裂縫發展

圖5所示為各工況加載后觀察到的裂縫分布。

圖5　抗震加固模型裂縫圖Fig.5　The test cracking diagram of the strengthed model

各試驗工況下抗震加固模型損傷情況：1)X向8度小震下，結構反應很小，加載完成后未發現可見裂縫。2)X向8度中震下，結構變形仍不明顯；加載后在4軸山墻前端出一條裂縫。此外，在混凝土窗框角部和1軸山墻局部出現了一些細小裂縫，縫寬約0.1 mm。3)Y向8度中震下，后縱墻中部平面外位移小，后縱墻完好。結構整體裂縫略有發展。4)X向8度大震下，JMA Kobe和人工波加載時，結構反應加劇。山墻明顯外閃，窗下墻高度以上部分變形較大；兩側山墻均出現一條由于外閃產生的斜向裂縫，從山墻前檐窗下墻頂高度處向山墻后檐鋼圈梁位置延伸貫穿；磚柱變形明顯，在窗下墻頂高度處出現水平貫通裂縫；鋼筋混凝土窗框與山墻連接處出現少量豎向裂縫；后縱墻在兩端鋼圈梁約束處出現比較集中的裂縫。5)XY雙向8度大震下，模型山墻外閃明顯，山墻繞斜向裂縫搖擺，磚柱變形明顯，后縱墻檐口中部平面外位移不明顯。震后裂縫與X向8度大震時裂縫分布相同，部分裂縫的縫寬增大。

3.3　兩模型損傷與裂縫發展對比

未加固模型、抗震加固模型試驗結果對比表明：1)X向8度小震時，抗震加固模型反應小，模型完好。2)X向8度中震時，山墻外閃較未加固模型明顯減小，結構仍基本完好；只是在4軸山墻前端出現一條裂縫。3)X向8度大震時，山墻出現一條貫穿的斜向裂縫，磚柱在窗下墻頂高度出現水平裂縫，但裂縫寬度不大，對結構安全影響有限。4)Y向8度中震加載時，后縱墻檐口中部平面外變形明顯得到控制，后縱墻基本完好?？梢姡拐鸺庸棠Ｐ偷膭偠?、承載力明顯高于未加固模型，小震與中震水平激勵下抗震加固模型的損傷輕微，大震下結構損傷可控，抗倒塌能力提高。

4動力特性分析

4.1　頻率與阻尼比

表1中比較了模型加固前后的頻率和阻尼比參數。

表1　模型的頻率及阻尼比比較

兩模型的頻率與阻尼比對比可知：1)抗震加固模型X向自振頻率9.03 Hz比未加固模型4.22 Hz高114%，Y向自振頻率9.75 Hz比未加固模型6.65 Hz高46.6%。主要是由于砌筑采用水泥砂漿，且山墻與前檐表面抹水泥砂漿，并加設鋼筋混凝土窗框與圈梁的抗震加固措施，顯著地增大了結構的剛度。2)Y向8度中震后，抗震加固模型的X向和Y向自振頻率分別僅下降16.0%和8.3%，明顯小于未加固模型頻率下降的百分比，其中,X向自振頻率比未加固模型對應頻率高144.8%，Y向自振頻率比未加固模型對應頻率高79.9%。X向8度大震后，抗震加固模型X向和Y向自振頻率分別下降38.0%和15.9%，仍然高于未加固模型的初始頻率。

4.2　加速度反應

試驗表明加固前后模型的加速度反應基本一致，X向加載時，山墻后檐口的加速度反應與臺面輸入加速度相近，山墻前檐口和山墻尖的加速度反應明顯大于臺面輸入加速度；Y向加載時，兩側山墻檐口高度的加速度反應與臺面輸入加速度相近，后縱墻檐口中部的加速度反應明顯大于臺面輸入加速度。 圖6所示為加固前后模型特征位置加速度反應峰值及其動力系數。特征位置選取山墻尖部比較。

圖6　模型加速度反應峰值及動力系數Fig.6　Model acceleration peak value and coefficient of dynamic

圖6比較可見，X向8度小震時，抗震加固模型與未加固模型的加速度反應差別不大；X向8度中震時，抗震加固模型的加速度反應明顯高于未加固模型，但山墻尖的動力系數水平無明顯變化，說明此時模型的剛度和承載力下降比較有限；Y向8度中震時，抗震加固模型與未加固模型的加速度反應差別不大。

4.3　位移反應

圖7所示為未加固模型特征位置的側向位移反應包絡圖，選取中震下的試驗數據比較。

圖7　模型位移反應包絡圖Fig.7　Model displacement

對比可知，X向加載時，抗震加固模型的山墻前檐口和山墻尖X向位移反應比未加固模型明顯減小，Y向加載時，抗震加固模型位移反應也比未加固模型明顯減小。但可以看出，X向加載時，抗震加固模型的山墻前檐口X向位移仍顯著大于山墻后檐口X向位移；但屋脊縱剖面位移包絡圖的“尖山效應”并不明顯。Y向加載時，由后縱墻檐口高度的平面外的位移曲線呈明顯外凸形，兩端位移很小，中部位移稍大。

4.4　加速度位移滯回曲線

圖8　加速度位移滯回曲線Fig.8　Acceleration-Displacement hysteresis

5結論

1)未加固模型在8度小震下開裂，8度中震下損傷嚴重，8度大震下瀕于倒塌，不能滿足《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010[16]規定的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設防目標。

2)試驗表明提出的抗震加固措施能夠明顯提高模型的抗側剛度。模型X向自振頻率提高了114.0%，X向加載時山墻前檐口和山墻尖平面外位移減小了約85%；模型Y向自振頻率提高了約46.6%，Y向加載時后縱墻檐口中部位移減小82.6%。

3) 鋼板圈梁提高了模型的整體牢固性，X向8度大震時模型變形已較大，但各構件拉結有效，模型損傷有限。

4)抗震加固模型在8度小震下完好，8度中震下損傷輕微，8度大震下損傷不嚴重，滿足《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010[16]規定的建筑結構“小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震設防目標。

5)建議的加固措施為北京地區農宅抗震加固提供了一種有效的加固措施。

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(編輯胡玲)

Author brief：Wang Mansheng(1972-)，PhD，main research interest:earthquake engineering,(E-mail)moonwms@sohu.com.

Earthquake resistant behavior on seismic strengthening of typical rural brick-wood structure in Beijing

Wang Mansheng1,Zhao Xiaomin1,Ji Xiaodong2,Zhao Zuozhou2

(1.Beijing Institute of Real Estate Science and Technology, Beijing 100021 P.R. China;2.Key Laboratory of Civil

Engineering Safety and Durability of China Education Ministry,Department of Civil Engineering,

Tsinghua University, Beijing 100084 P.R. China)

Abstract:Comparision of resistant behavior was made between two kinds of seismic strengthening methods for the single-story brick-wood structure with brick columns representative of existing rural buildings in Beijing, through shaking table tests on large-scale models. According to the seismic damages of unreinforced model test, the seismic strengthening measures were proposed, which included: (1) addition of a concrete window frame to increase the lateral stiffness of front longitudinal wall, (2) strengthening the walls, brick columns and under-window walls by using cement mortar to increase the carrying and deformation capacity, (3) addition steel ring beam to enhance the robustness of the structure. The results of testing damage and the dynamic characteristics parameters, such as, dynamic frequency, structural damping, acceleration dynamic coefficient, hysteresis curve etc., showed that the reinforcement measures significantly increased the seismic resistance of this kind of brick-wood structure. At same time, the reinforcement measures could achieve the seismic design target of “operational under minor earthquakes, repairable damage under design basis earthquakes, and collapse prevention under rare earthquakes.”

Key words:brick-wood structure, shaking table test; seismic performance; seismic reinforcement

作者簡介：王滿生(1972-)，男，博士，教授級高工，主要從事地震工程研究，(E-mail)moonwms@sohu.com。

基金項目：北京市科委課題(D141100002614002)；北京市財政資助(PXM2010—161102—096238)

收稿日期：2015-07-30

中圖分類號：TU361

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0062-08

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.009