較大空間砌體房屋的抗震演算

范國璽

鄭州市建筑設計院（450000）

較大空間砌體房屋的抗震演算

范國璽

鄭州市建筑設計院（450000）

具有較大開間和進深的砌體房屋在地震中易發生脆性剪切破壞，分別用有限元ANSYS軟件和PKPM軟件對安陽市一大空間教室進行抗震演算，指出大空間結構的砌體房屋在抗震性能方面存在的一些問題，同時從抗震防災的角度,提出一些解決問題的措施。

大空間房屋；ANSYS分析；PKPM抗震分析

0 引言

砌體大空間房屋一般要求結構有較大的開間和進深，結構的外縱墻開洞面積也比較大。但若這類房屋建造在地震區，由于抗震實墻面積比較小，在地震中易發生地震脆性剪切破壞。我國多層砌體結構房屋震害表明：砌體大空間結構的破壞率比小開間結構高的多。雖然可以通過減少外墻開洞率或根據開洞情況加厚外縱墻以及加壁柱墻來滿足抗震及砌體強度的要求，但是這些方法會影響室內通風和采光，而且由于加厚墻，房屋自重加大，地震力增大，對結構有較大影響[1]。目前來說，砌體結構抗震設計的演算對結構設計人員也是非常重要的。

1 工程概況

該教學辦公樓為我省安陽市某中學辦公樓，建于1986年，結構為磚混結構，共4層,高15.6 m，X向：18 m,Y向：4×3.9 m。Z向：10.2 m。設有240 mm× 700 mm現澆混凝土梁和240 mm×500 mm的圈梁，該圈梁兼過梁使用，無構造柱，樓板為現澆樓板。每層設有2.2 m寬的懸挑外廊，走廊的圍護結構為磚砌體圍護，屋頂有挑檐和500 mm高的女兒墻。機磚為75#，砂漿為50#，混凝土為200#。

該教學辦公樓結構平面如圖1所示。

圖1 標準層建筑平面

2 利用有限元地震反應譜法分析抗震演算

為了對該教學樓的抗震性能進行分析，得到具體的抗震驗算數據。地震動參數按安陽市抗震設防區選擇，抗震設防烈度為8度，設計地震分組第一組，場地類別Ⅱ類，施工控制等級B級，設計基本加速度值0.2 g,地震特征周期值0.35 s，水平地震影響系數最大值0.16，建筑結構的阻尼比為0.05，結構重要性系數1.0，基本振型個數4個。在進行反應譜分析時，我們根據建筑物所在場地類別、設計地震分組、地震特征周期值、地震影響系數、結構的阻尼比等因素，用ANSYS軟件進行抗震演算分析。

圖2 南立面示意圖

2.1 有限元分析過程

通過布爾運算建立實體模型，模型底部與基礎固結并假定地基為剛性對上部結構沒有影響，樓板與梁均為剛接。分別附加混凝土以及墻體的密度、彈性模量。根據《建筑結構荷載規范》（GB 5009—2001）計算出按承載力極限狀態的效應組合與正常使用極限狀態的荷載（效應）組合，并取其最不利荷載組合施加在結構上。然后進行網格劃分，網格劃分時采用選用solid45單元并進行自由網格劃分。進行靜力計算，進行模態分析,由于子空間分析法在模態分析時精度高而且其結果可以用于隨后的反應譜分析，所以在這里我采用子空間分析法進行模態分析，分析的階數為8階。在模態分析的基礎上，進行反應譜分析。

2.2 數值分析計算結果

表1 結構的自振周期、頻率

表2 結構層間位移

由表2可以看出，房屋樓層間的最大位移為2.355 mm，約為層高的1/1656。《砌體結構設計規范規范》要求，樓層內最大的層間彈性位移角不宜超過1/1000，故該結構在地震過程中層間位移滿足規范要求。

2.3 ANSYS軟件抗震分析結論

通過有限元分析，得知該工程結構大部分墻體在模擬中顯示較大的應力。開洞多的墻體，由于抗震實體面積較小，多出現較大應力。計算結果顯示，洞口的角部、承重梁的梁底與縱橫墻交接處多產生應力集中。由計算可知，該教學樓在抗震計算分析中是不滿足現有規范的抗震要求。

3 利用PKPM軟件進行抗震分析

3.1 PKPM軟件抗震分析過程

建筑模型與荷載輸入：通過軸線輸入、網格生成、樓層定義、荷載輸入建立房屋基本模型和部分參數，然后進行樓層組裝。

結構樓面布置：逐層布置樓板，輸入梁以及墻體的混凝土強度等級，設置圈梁。

樓面荷載傳導計算：布置樓面恒荷載、活荷載并確定荷載傳導方式。

進行結構抗震計算：輸入數據，如結構類型、樓面類型、地下室結構嵌固高度、墻體材料、地震烈度、施工質量等級等，然后進行計算并得出結論。

3.2 PKPM軟件抗震演算原理

3.2.1 砌體結構在PKPM中抗震驗算的計算原理

根據建筑抗震設計規范用底部剪力法計算各層地震力，接著按樓面剛度和墻體側向剛度分配地震剪力到每個墻段，然后導出樓面荷載和墻體自重，計算墻體壓應力，最后按墻體截面的抗震受剪承載力計算公式驗算每個墻段的受剪承載力。

3.2.2 砌體結構抗震驗算的計算內容

PKPM軟件驗算了每一片墻體的抗震受剪承載力，計算對象包括門、窗、洞口在內的大片墻體，求出每一片墻體在抗震受剪的同時也考慮了由壓力影響的沿階梯形截面坡壞的抗震抗剪強度。最終的計算結果為抗力與效應的比值。當墻段的抗震受剪承載力不滿足時，將計算出墻段所需水平配筋的總截面積。

3.3 PKPM軟件抗震分析結果如圖3～6所示

圖3 1層演算結果

圖4 2層演算結果

圖5 3層演算結果

圖6 4層演算結果

3.4 PKPM軟件抗震分析結論

由PKPM軟件抗震分析結果可以看出，大面積墻體的抗力與效應的比值小于1，尤其開洞面積較大的墻體抗力效應比更小,即墻體不滿足抗震計算，從而該教學樓不滿足抗震要求。

4 結論

通過有限元ANSYS軟件和PKPM軟件的抗震計算分析結果的對比可以得出：PKPM軟件計算方便快捷，但是其分析結果不夠詳盡，可得出結構的抗力與效應的比值。有限元ANSYS軟件在抗震分析過程比較復雜，但是其分析結果能夠詳細計算結構的震型、結構的位移、結構各部位的受力狀況等。總之，該工程在抗震方面有以下問題：

由于該教學樓建造于20世紀90年代，其設計尺寸已不符合國家頒布的現有的抗震設計規范。如：結構層高、窗間墻寬度以及女兒墻高度均不滿足抗震規范的要求。

在結構材料方面，機磚為75#，砂漿為50#，混凝土為200#，其強度低于抗震設計規范的要求。

在結構受力方面,該教學樓房屋為大開間結構，墻體洞口面積較大,使墻體抗震有效面積降低，大大減弱了結構的抗壓強度和抗剪能力。房屋的懸挑外廊的維護結構為磚砌體圍護，這使懸挑結構受力極其不合理，在地震中容易產生傾覆現象。

在結構構造方面，該教學樓缺少構造柱、墻體配筋、錨固措施等抗震構造要求。由于構造柱、墻配筋等構造措施在提高房屋整體性、延性抗倒塌等方面有十分重要的作用,因此構造柱、墻體配筋設置與否和設置數量多少、質量好壞,對房屋的抗震性能有重要影響。

通過計算得知，房屋大面積的墻體不符合安陽市的抗震要求，應采取相應的加固措施改善結構的抗震性能,以免在地震中造成不必要的損失。

[1]余瑞，王廣俊.多層大板大開間開間的抗震性能的研究[J].四川建筑，2007，27（1）：112-116.

[2]GB 50010-2002混凝土結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2002.

[3]GB 50003-2001砌體結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2001.