構(gòu)造設(shè)計(jì)下砌體結(jié)構(gòu)抗震性能提升的模糊綜合評(píng)價(jià)

洪孝路，趙宇 （中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001）

1 引言

我國(guó)地震區(qū)域分布廣泛，很多地區(qū)經(jīng)歷過(guò)不同級(jí)別的地震，造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失，并且砌體結(jié)構(gòu)隨著時(shí)代的發(fā)展，墻體的基準(zhǔn)面積等內(nèi)容不斷地發(fā)生變化，砌體結(jié)構(gòu)的抗震措施也相繼出現(xiàn)新的內(nèi)容，但在原有抗震準(zhǔn)則不變的情形下，砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究依然缺乏對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)承受地震作用時(shí)的定量分析。在砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，圈梁和構(gòu)造柱已然成為非常重要的抗震設(shè)計(jì)，考慮構(gòu)造柱率和含圈率是非常有必要的。

2 砌體結(jié)構(gòu)震害特征和規(guī)律

汶川地震后，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)的震害分析進(jìn)行了廣泛深入的調(diào)查，關(guān)于砌體結(jié)構(gòu)的震害特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)。

砌體結(jié)構(gòu)以縱墻和橫墻作為主要的承重構(gòu)件，除了構(gòu)造柱和圈梁起到的約束作用外，砌體結(jié)構(gòu)很難保證在地震來(lái)臨時(shí)的整體穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)卣鹱饔玫姆较蚺c結(jié)構(gòu)縱墻的方向一致時(shí)，則主要由縱墻承受地震剪力，反之則為橫墻，因此砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞與地震作用下的破壞方向有著很高的關(guān)聯(lián)性。

3 砌體結(jié)構(gòu)的有限元分析模型

3.1 層間模型

砌體的力學(xué)分析模型較為復(fù)雜，在層間分析模型下，把砌體結(jié)構(gòu)中的樓層作為有限元分析目標(biāo)，用單一的桿件表征整個(gè)樓層下的豎向桿件，因此，質(zhì)量便集中于樓蓋層的一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，便可應(yīng)用樓層的等效側(cè)移剛度代替結(jié)構(gòu)層剛度，形成各個(gè)節(jié)點(diǎn)貫穿于多個(gè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)系模型，該模型自由度較少，分析簡(jiǎn)單，速率較快。

3.2 桿系模型

桿系模型下的有限元分析原理：將每個(gè)桿件，作為分析對(duì)象，例如簡(jiǎn)單的構(gòu)造柱，圈梁等構(gòu)件。分析過(guò)程更貼近于經(jīng)典的力學(xué)分析模型，能較好進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性分析，是砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析貼合度較高的模型。

4 構(gòu)造柱、圈梁對(duì)砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

砌體結(jié)構(gòu)在增設(shè)構(gòu)造柱，圈梁等構(gòu)造措施后，能有效地增大墻體剛度，可以延緩墻體的開(kāi)裂，增強(qiáng)房屋的整體性能，還可利用滑移變形消散地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞力。當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)地震破壞后，圈梁、構(gòu)造柱與墻體有效地拉結(jié)，可以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌的行為。不同位置的構(gòu)件，拉結(jié)方式不同。

4.1 構(gòu)造柱式的豎向拉結(jié)方式

研究表明，構(gòu)造柱可以提升墻體10%～20%的抗剪強(qiáng)度，最重要的是可以有效地抑制墻體的倒塌，降低墻體水平方向裂縫的進(jìn)一步開(kāi)展，有效地消耗地震能。與圈梁形成整體的框架結(jié)構(gòu)，將墻體與樓板連成整體，提升結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體性。

構(gòu)造柱和墻體的豎向有效拉結(jié)是以墻體中的構(gòu)造柱率

γ

表示的，當(dāng)墻體內(nèi)未設(shè)置構(gòu)造柱時(shí)，

γ

=0，構(gòu)造柱數(shù)量越多，

γ

則越大。構(gòu)造柱率和設(shè)計(jì)層地震作用下構(gòu)造柱的水平面積、墻體的總面積以及混凝土剪切模量有著直接的計(jì)算關(guān)系。

4.2 圈梁式的水平向拉結(jié)方式

圈梁在地震作用下，可以有效地增強(qiáng)各構(gòu)件之間的連接性能，在與混凝土樓板的連接下，可以減少樓板在地震荷載下的開(kāi)裂，提高樓板的水平剛度。圈梁限制了裂縫在豎直方向的開(kāi)展，提高了墻體的抗剪強(qiáng)度。圈梁和墻體的豎向有效拉結(jié)以墻體中的含圈率

γ

表示，圈梁數(shù)量越多， 則越大。含圈率是通過(guò)圈梁豎向截面面積總和、墻體豎向截面面積等指標(biāo)求解的。

現(xiàn)行砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，砌體房屋的層數(shù)與高度限制是考慮設(shè)防烈度的不同而設(shè)定的，但缺乏了對(duì)于結(jié)構(gòu)中構(gòu)造柱、圈梁的要求，由于墻體、拉結(jié)結(jié)構(gòu)數(shù)量的不同，相同層數(shù)下，結(jié)構(gòu)的抗震性能也存在較大的差異，應(yīng)該綜合考慮砌體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)造柱率和含圈率的影響，給出相同抗震設(shè)防烈度下，依據(jù)構(gòu)造柱率和含圈率的不同，給出設(shè)計(jì)層數(shù)和層高限制的不同取值。

5 構(gòu)造設(shè)計(jì)下的砌體結(jié)構(gòu)抗震性能模糊綜合評(píng)價(jià)

5.1 模型的建立

綜合以上分析，本文建立基于構(gòu)造設(shè)計(jì)下提升砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)價(jià)模型，分析圈梁和構(gòu)造柱在地震作用下為結(jié)構(gòu)帶來(lái)的保障。

①在建模過(guò)程中首先確定因素集：建立因素集

U

：

其中：

U

為結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)，

U

為結(jié)構(gòu)的抗力，

U

為結(jié)構(gòu)墻體裂縫的開(kāi)展。本文在三個(gè)重要因素集中建立小因素集合，得到表1。

構(gòu)造設(shè)計(jì)提升砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)判指標(biāo)體系 表1

5.2 模型的求解

在建立模型的過(guò)程中，得到

U

，

U

，

U

的排名矩陣。在排名過(guò)程中得到加權(quán)向量：

從模糊綜合評(píng)價(jià)值來(lái)看，由于0.46＞0.39＞0.15＞0.01，評(píng)價(jià)值等級(jí)優(yōu)秀。構(gòu)造柱、圈梁在改善結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)、提升結(jié)構(gòu)的抗力、約束結(jié)構(gòu)墻體裂縫的開(kāi)展等方面，起到了較好的效果，進(jìn)而提高了砌體結(jié)構(gòu)抗震性能，在提升結(jié)構(gòu)的抗力方面貢獻(xiàn)較高。

構(gòu)造設(shè)計(jì)提升砌體結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)語(yǔ)隸屬度 表2

6 結(jié)論

本文對(duì)砌體結(jié)構(gòu)抗震能力進(jìn)行分析，闡述了構(gòu)造柱率和含圈率對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重要性。基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型，得到評(píng)價(jià)值較高，構(gòu)造設(shè)計(jì)有效地提升了地震作用下的結(jié)構(gòu)抗力。特別是在高設(shè)防烈度地區(qū)，由于層數(shù)、層高的限制，應(yīng)該著重考慮構(gòu)造柱和圈梁的設(shè)計(jì)以及墻體數(shù)量的影響。