新舊規范設計的底框砌體結構抗震性能對比分析*

張令心， 孔建輝

(中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室， 哈爾濱 150080)

底部框架上部砌體結構(簡稱底框砌體結構)房屋是指底部為框架或框架剪力墻結構形式，上部為砌體結構形式的混合結構體系房屋.該類型房屋底部框架部分空間大，多用于店鋪、餐館、停車庫等；上部砌體部分縱橫墻較多，空間較小，多用于住宅、辦公室等.因為能滿足不同使用功能要求，且具有施工方便、造價低等優點，該類型房屋被廣泛應用于我國大城市都市村莊和中小城市臨街建筑中.底框砌體房屋如圖1所示.然而，底框砌體結構房屋屬于截然不同兩種結構體系的豎向組合，該類結構在歷次地震中震害較重[1-2].汶川地震中31%的底框砌體結構房屋屬于需要立即停止使用或拆除的建筑；玉樹地震中底框砌體結構房屋也是破壞最嚴重的結構形式之一[3].根據實際震害得到底框砌體結構房屋震害主要集中于底層以及與之相鄰的過渡層，底層破壞和過渡層破壞現象非常明顯[4]，該震害特征說明此類結構存在缺陷.

圖1 底框砌體房屋

我國許多學者針對底框砌體結構房屋的抗震性能開展過廣泛而深入的研究，并且取得了一定成果.劉一芳等[5]曾提出底框砌體結構房屋地震作用簡化方法，從而使該類型房屋抗震驗算更加簡單、適用.王多智、單若宸等[6-7]設計并制作了底部有翼墻與無翼墻的底框砌體結構振動臺實驗模型，并進行了振動臺倒塌實驗，然后對實驗結果進行了有限元倒塌模擬，模擬結果與振動臺實驗以及實際震害結果相似，最后得到結論為：盡管對不同地震波下抗震能力的提升幅度有所差別，但合理加設翼墻對結構抗震能力確有很大的提高作用.還有不少學者[8-9]對底框砌體結構的抗震性能進行了研究，但針對不同版本抗震設計規范設計的底框砌體結構房屋破壞形式和抗震性能差別的研究很少.

《建筑抗震設計規范》GB50011-2010(簡稱10規范)與《建筑抗震設計規范》GBJ11-89(簡稱89規范)在底框砌體結構房屋抗震設計方面有所不同.10規范對于底部框架層的剛度要求提高，在構造措施方面對抗震墻和圈梁構造柱的布置要求也有所提高.本文主要研究了10規范對底框砌體結構抗震性能的改善作用.選取某城鎮一棟4層底框砌體結構房屋為研究對象，分別按10規范、89規范設計，建立三維實體數值分析模型，并對其進行動力特性和彈塑性有限元時程分析，旨在探究按10規范和89規范設計的底框砌體結構破壞形式和抗震性能的差異.

1 模型建立

1.1 模型選取

選擇一棟4層臨街建筑為原型建立計算模型，該房屋底部一層為框架形式，層高為4.5 m，框架柱截面尺寸為0.4 m×0.4 m，框架縱梁截面尺寸為0.3 m×0.4 m，框架橫梁截面尺寸邊跨為0.3 m×0.6 m，中間跨為0.3 m×0.4 m；上部3層為砌體形式，砌體墻厚內外均為0.24 m，層高為3.3 m.該工程結構歸于7度抗震設防烈度，基本地震加速度值為100 gal，最大設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，設計地震分組為第一組，建筑物抗震設防分類為丙類建筑，建筑場地類別為Ⅱ類場地.上部樓層砌塊均采用MU10普通黏土磚和M10砌筑砂漿.構造柱、底框層墻及柱的混凝土強度等級為C30.房屋的平面布置如圖2、3所示(單位：mm).

圖2 底層平面圖

圖3 標準層平面圖

1.2 按89規范設計模型

根據89規范第7.1.4條[10]規定，底層框架磚房的底層應沿縱橫兩方向對稱布置一定數量的抗震墻，且第二層與底層側移剛度的比值在7度抗震設防烈度下不應大于3，抗震墻在7度抗震設防烈度下可采用嵌砌于框架之間的粘土磚墻.本文設計方案底層按此規定選用嵌砌于框架之間的粘土磚墻，墻體布置如圖4所示.根據89規范第7.3.1條規定布置構造柱(見圖5)，其截面尺寸為240 mm×240 mm.

圖4 底層抗震墻布置圖(89規范)

圖5 砌體層構造柱布置圖(89規范)

1.3 按10規范設計模型

根據10規范第7.1.8條[11]規定，底層框架磚房的底層應沿縱橫兩方向對稱布置一定數量的抗震墻且計入構造柱的影響，第二層與底層側移剛度的比值在7度抗震設防烈度下不應大于2.5，抗震墻在7度抗震設防烈度下宜采用鋼筋混凝土抗震墻.本文設計方案底層按此規定選用鋼筋混凝土抗震墻，墻體布置如圖6所示.根據10規范第7.5.1條規定布置構造柱(見圖7)，構造柱截面尺寸為240 mm×240 mm.根據10規范第7.5.7條規定設置砌體層圈梁，其截面尺寸為150 mm×240 mm.

圖6 底層抗震墻布置圖(10規范)

圖7 砌體層構造柱布置圖(10規范)

1.4 有限元模型建立

采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立實體單元進行有限元模擬.框架柱、框架梁、普通黏土磚墻和鋼筋混凝土抗震墻采用Solid單元(C3D8R)進行模擬，鋼筋采用Truss單元進行模擬.底層框架梁、柱中鋼筋分布如圖8所示.砌體是由磚和砂漿砌筑而成的二相復合材料，本文對其進行有限元分析時采用整體連續式模型.整體連續建模是將磚和砂漿作為一個整體綜合考慮磚和砂漿的作用，避免了離散建模連接處存在的難點，減小了計算規模，適用于整體結構分析.底框砌體結構上部砌體部分的有限元模型如圖9所示.若只考慮樓板彈性性質，不考慮其塑性性質，則ABAQUS結構整體有限元模型如圖10、11所示.

圖8 鋼筋籠模型

圖9 砌體層模型

圖10 89設計規范模型

圖11 10規范設計模型

圖12 HRB330鋼筋受拉應力應變曲線

圖13 C30混凝土單軸受拉應力應變曲線

圖14 C30混凝土單軸受壓應力應變曲線

圖15 MU10空心磚受壓應力應變曲線

2 彈塑性時程分析

2.1 結構動力特性分析

為了得到結構的動力特性，采用ABAQUS模型進行模態分析，得到第一階陣型的頻率.89規范和10規范的第一階陣型都是縱向平動，說明縱向剛度較橫向剛度偏弱.按89規范設計的第一階周期(0.099 s)小于按10規范設計的情況(0.168 s)，說明按89規范設計的縱軸整體剛度略大于按10規范設計的情況.

圖16 MU10空心磚受拉應力應變曲線

2.2 地震波選取

根據本文工程結構的設計特點，選用適用于Ⅱ類場地的Taft地震動進行分析(見圖17).按照10規范，結構在進行彈塑性時程分析時，只需要進行水平兩個方向的地震動輸入.實際上，在汶川地震中地面豎直方向的地震加速度也很大，因而本文在彈塑性分析時采用三向地震動輸入，進行超大、大、中、小地震下的彈塑性時程分析，且X、Y、Z三個方向的地震動幅值比例為1∶0.85∶0.65.

圖17 Taft地震動

2.3 結構彈塑性時程分析

為研究不同地震動幅值下結構的破壞狀態及抗震性能，需要對地震動進行調幅，根據10規范第5.1.2條規定的時程分析所用地震動時程最大值表可知，7度抗震設防烈度下小震、中震、大震和超大震的加速度峰值分別對應35、110、220和400 gal.采用上述分析模型分別對由不同版本規范設計的底框砌體結構房屋進行彈塑性時程分析，得到不同地震動強度下底框砌體結構各層的最大層間位移角(見表1)以及相應的層間位移角變化折線圖(見圖18).

表1 不同加速度的峰值地震作用下最大層間位移角

采用層間位移角作為結構整體破壞的指標.底框砌體結構的破壞等級按底部框架和上部砌體分別判斷的方式進行判定.典型砌體結構地震倒塌模式下框架、砌體和剪力墻的破壞等級[11-13]如表2所示.

結合表2和圖18可知，不論是按89規范還是按10規范設計的底框砌體結構，砌體層最大層間位移角均發生在第1層砌體層，即底框砌體結構的過渡層.在小震地震動幅值35 gal作用下砌體各層層間位移角大多未超過1/2 500，底層框架的最大位移角未超過1/550，屬于基本完好范疇，結構仍處于彈性階段.中震地震動幅值110 gal作用下按89規范設計的底框砌體結構仍處于基本完好的彈性階段，但是按10規范設計的底框砌體結構過渡層層間位移角1/653大于1/2 500，出現了輕微破壞.大震地震動幅值220 gal作用下按89規范和10規范設計的底框砌體結構的底框部分位移角均大于1/550，發生了中等程度破壞；按89規范設計的過渡層砌體層發生了輕微破壞，其他各層基本完好；按10規范設計的結構過渡層砌體最大位移角大于1/900，發生中等程度破壞，而其他各層基本完好.超大震地震動幅值400 gal作用下按89規范和10規范設計的底框砌體結構的底框部分發生了嚴重破壞，過渡砌體層均發展為中等破壞，其他各砌體層均發生了輕微破壞.

由圖18可見，不同幅值地震動作用下按10規范設計的底框砌體結構層間位移角分布比按89規范設計的變化均勻一些，這與砌體層與框架層的剛度比有關.本文設計也在層間剛度比方面進行了區分，按89規范設計的底框砌體結構砌體層與框架層的剛度比約為2.7，而按10規定設計的剛度比約為2.通過上述破壞分析發現，按89規范設計的底框砌體結構的砌體層相對于框架層剛度大很多，地震來臨時雖然上部砌體相對剛度大，能夠分擔大部分地震力，但是結構偏弱且在大震前一直未出現破壞，而在大震時底部框架層突然發生了中等程度破壞，繼而引發更嚴重的破壞.而按10規范設計的結構，砌體層剛度與框架層的剛度比變小，地震來臨時雖然上部砌體層分擔大部分地震力，但相對89規范設計的結構底部框架層得到了增強，因此，首先是在過渡砌體層出現了輕微破壞，導致上部砌體層剛度下降，進而其分擔的地震力下降，此時底部框架層分擔的地震力相對增加，繼而在上部砌體發生破壞的情況下底部框架層也發生破壞，最后破壞繼續擴展，結構發生更嚴重的破壞.

圖18 不同地震動強度下底框砌體結構各層的最大層間位移角

表2 不同結構破壞等級與層間位移角關系

當結構按89規范設計時，小震和中震時結構基本完好，而大震時上部砌體層裂縫開展情況和底框粘土磚墻裂縫如圖19、20所示.超大震時上部砌體層裂縫開展情況和底框粘土磚墻裂縫如圖21、22所示.當底框砌體結構按10規范設計時，小震時結構基本完好，中震時發生輕微破壞，而大震時上部砌體層裂縫開展情況和底框混凝土墻裂縫如圖23、24所示.超大震時上部砌體層裂縫開展情況和底框混凝土墻裂縫如圖25、26所示.通過對比可知，超大震時裂縫開展和結構破壞更嚴重，粘土磚墻耗能能力差，導致底框部位剛度下降迅速，墻體容易倒塌，容易發生坐層現象，因此，10規范規定宜使用混凝土抗震墻，這與按照層間位移角和層間剛度比分析的結果基本一致.

圖19 大震作用砌體層裂縫(89規范)

圖20 大震作用底框粘土磚墻裂縫(89規范)

圖21 超大震作用砌體層裂縫(89規范)

圖22 超大震作用底框粘土磚墻裂縫(89規范)

大震作用砌體層裂縫(10規范)

通過上述分析可知，兩種不同模型的破壞模式不同，但是兩者都滿足在7度抗震設防烈度下抗震設防三水準，即小震不壞，中震可修，大震不倒.對比過渡層砌體和底部框架層發現相對于按89規范設計的結構破壞，按10規范設計的底框砌體結構破壞具有自底部框架層逐漸上移的趨勢，這與抗震設計規范對砌體層與框架層的剛度比要求有關.可見，底框砌體結構的砌體層與框架層的剛度比對抗震設計至關重要.此外，相比于混凝土抗震墻，粘土磚抗震墻耗能能力較差.

圖24 大震作用底框混凝土墻裂縫(10規范)

圖25 超大震作用砌體層裂縫(10規范)

圖26 超大震作用底框混凝土墻裂縫(10規范)

3 結 論

利用設計軟件PKPM和有限元軟件ABAQUS對某都市村莊某一底框砌體結構分別按89規范和10規范進行設計，并建立ABAQUS模型，通過輸入三向Taft地震動進行小、中、大和超大地震作用下的彈塑性時程分析，得出如下結論：

1) 結構沿弱軸方向按89規范設計時，破壞主要發生在底層框架部分，且底層框架首先發生破壞.而按10規范設計時，破壞首先出現在過渡砌體層，然后砌體層剛度降低，底層框架分擔的地震力增加，進一步導致底層框架發生破壞.

2) 雖然兩種設計模型的破壞狀態有所不同，但是各層層間位移角判斷破壞程度滿足在7度抗震設防烈度下抗震設防三水準，即小震不壞，中震可修，大震不倒，說明兩種設計都符合各自對應的規范要求.

3) 砌體層和底部框架層的剛度比對結構的破壞影響很大，剛度比是抗震設計至關重要的影響因素.

4) 粘土磚墻耗能能力差，因而會導致底框部位剛度下降迅速，墻體容易倒塌，容易發生坐層現象，因而底框砌體結構宜使用混凝土抗震墻.