淺析裝配式砌體結構及其抗震性能研究

谷錫民 孟芯玉 井 淏 胡 明 王立君

裝配式建筑是將在工廠中生產的結構系統、內裝和外圍護系統、設備與管道系統的零件進行整體組裝，從而形成一種結構，將這3 個系統的優秀性能結合在一起，滿足人們在現代化建筑中的生活需要和功能要求。裝配式房屋有3 種類型—裝配式混凝土結構、裝配式鋼結構、裝配式木結構。與傳統意義上的建筑相比，裝配式建筑具有生產效率高、節約能源資源、建筑質量高和噪聲污染小等優點。

磚房是由磚、石和磚塊構成的建筑物。新中國建立后，我國的磚石建筑發展很快，磚石建筑在膠結材料以及磚石建筑系統等方面都有了很大的進步。裝配式建筑可以有效地解決砌體結構在現場澆筑過程中存在的許多問題，同時，國家的政策也日益傾向于裝配式建筑。因此在這種情況下，提出并應用裝配式砌體結構是非常有必要的。

1 裝配式砌體結構

1.1 裝配式砌體結構的研究現狀

我國是一個砌體大國，磚石建筑在我國的發展源遠流長，已經形成了特有的文化體系。考古學材料顯示，5000 多年前，我國已有磚石建筑，如石臺、石墻等；著名的“萬里長城”，是2000 年以前“秦磚漢瓦”修建的一項舉世矚目的大型建筑；都江堰是春秋戰國時代李冰父子建造的，現在還在發揮著灌溉的功能。在此背景下，裝配式砌體建筑興起，將使其跨入一個嶄新的時代。

裝配式砌體結構是20 世紀初期才被重視的一種新型結構形式，1960 年代以后才逐步用于住宅建設。隨著現代科技的發展與技術的進步，建筑房子可以批量、成套地被建造出來。只需要將提前制造好的構件，運送到工地直接裝配起來就能夠完成。使用預制的砌體料建造外墻的預制裝配式砌塊建筑，最適宜在5 層高以內的建筑中采用。

由于預制裝配式砌塊建筑具備施工速度快的優勢，同時可以節省大量的勞動力，提高建筑的生產質量，節省能源，而且生產成本比較低，所以它在全球范圍內得到了快速的發展。隨著建筑技術的日益進步，傳統的現場砌筑的方式已經顯露出了它的缺陷，裝配式砌體結構的預制裝配化已經成為了砌塊整體澆墻結構體系的發展趨勢，形成了裝配式砌體結構工業化生產的獨特優勢。國內外許多專家針對目前現場砌筑的施工工藝的不足，提出了裝配式砌塊砌體結構的概念，這對于提高砌塊結構體系的施工效率和結構性能具有積極意義，促進了砌體結構的進一步發展。

1.2 裝配式砌體結構的發展前景

現代裝配式砌體建筑有很多優勢：

1）款式多樣。裝配式建筑能使室內空間變得更有彈性，更能滿足使用者的個性化需求。

2）隔音、防震。因為工廠化的建筑構件具有很高的精度，所以墻體和門窗的密封性比較好，可以避免外界噪音的干擾。裝配式構件大部分使用的是輕質材料，構件本身的結構自重非常小，而且還使用了柔性連接，具有好的抗震性能。

3）節約能源，保護環境。裝配式砌體結構使用了新型的綠色環保材料，并且對工業廢渣進行了充分的利用，實現了對資源的循環利用，降低了對環境的污染。

4）工業化生產，節省勞力。因為在傳統的砌體結構中，大多數都是用砂石等天然材料來砌筑的，所以勞動量很大。但是在工業化的情況下，它可以極大地節省勞動力，還可以提高生產效率。

5）建造過程采用組合式結構，縮短了時間。拼裝施工在保證質量的同時可以達到速度快、縮短工期并且降低成本；此外，由于施工過程中產生的噪聲較低，使得大量散料、廢料和污水的排放量較低，對周邊的環境起到了很好的保護作用。

我們國家預制裝配式建筑發展的道路上主要受以下2 個原因的影響：

1）自身條件原因：社會經濟實力不夠強，建設前期投入成本較高，勞動力成本上升，預制裝配式構配件的設計水平和生產技術也比較落后，建筑工程質量和技術基礎達不到相應標準的要求，與發達國家先進工藝技術相比，我國裝配式建筑工程技術相差甚遠，裝配式建筑行業工藝流程、技術工人、基本體系和管理制度等方面也極不完備，急需提高。

2）外界社會原因：裝配式建筑的發展與社會經濟實力、科技發展水平等方面息息相關，其中國家支持力度的效果最為重要，國家政策鼓勵引導裝配式建筑技術發展，提高宣傳力度和綜合競爭力，完善法律法規、制度標準，為裝配式建筑的提升和發展奠定了基礎，相信裝配式建筑將會給這個領域注入新的力量。

2 裝配式砌體結構的抗震性能

目前國內對于砌體墻抗震性能的研究主要包括：在砌體填充墻理論計算的基礎上，通過試驗和數值模擬等手段，建立砌體填充墻的力學模型，揭示砌體填充墻的破壞機制，篩選新型墻體材料，并實現改進砌體填充墻與框架的連接，對砌體填充墻的平面外抗震性能進行分析。

國外關于填充墻體的平面外效應的研究始于1950 年代，最初主要集中在爆破荷載作用下的平面外效應，隨著震害的增加，人們對其的關注逐步轉向地震作用下的平面外效應。拱形受力機理的揭示，是對砌塊填充墻平面外受力研究的一次重要突破。此后，許多學者采用各種實驗手段，對影響填充墻平面外性能的因素，比如墻體自身的高厚比、墻體的使用材料、以及墻體與框架之間的連接方式和加固措施等進行了研究。近年來，以ANSYS 和ABAQUS 為主要工具的填充體壁面外有限元仿真，可極大降低研究費用，增加工況個數，而且，由于實驗數據容易處理，可以避免人為誤差，所以受到了廣泛的關注。

2.1 砌體墻抗震性能的國外研究現狀

WALSH[1]通過對6 種不同結構類型的19 塊磚石砌體墻體的現場測試，并與現有的理論模型進行比較，分析其在實際工作狀態和假定理想狀態下的受力—位移特性。他所做的試驗，除了對墻體的幾何形態、邊界條件進行研究外，還在實驗之前對墻體的破壞狀況、材料特性等進行了考慮。并在此基礎上給出了目前的預測方法。

ASTERIS[2]根據以往所觀察到的砌體墻地震破壞現象，提出了新的觀點，即被地震作用削弱的填充墻可能會引起地震平面外失效的相關風險提升，他認為拱承載機制也會顯著提高砌體墻平面外的抗震性能。并在此基礎上，進一步提出了磚砌填充墻框架結構在地震作用下和側向地震作用下的地震反應計算方法。在此基礎上，利用有限元分析和非限性有限元分析相結合的方法，對平面外拱的受力機理進行了研究。

2.2 砌體墻抗震性能的國內研究現狀

熊麗紅等[3]利用有限元軟件ABAQUS 對裝配式混凝土砌塊墻體的平面外地震行為進行了數值計算，并與實驗數據進行了比較，得出結論：隨著高、厚比的減小，填充墻的面外承載力逐漸增大，而在高、厚比小于10 時，填充墻的延性明顯降低；填充墻的配筋率與其極限承載力基本成正相關，但超過0.2%后，其延性也有所降低；當高厚比為15 ～20，配筋比例為0.1%～0.2%時，墻體的受力性能表現為適筋韌性；由于填充墻與框架間設置了雙向撓性節點，因此，填充墻具有一定的延性。

周云等[4]對3 個具有面內擬靜力加載的阻尼填充墻體，開展面外荷載作用下墻體的力學性能、變形形態及破壞特點等方面的研究。研究發現，阻尼填充墻體在平面外的受力表現可以視為彈性、彈塑性、塑性、破壞這4 個階段；SBS（Styrene-Butadiene-Styrene）改性瀝青的減震層則可較好控制變形，形成拱形承重機制，使墻體在外露荷載作用下可承受9 度地震；且拉結筋可作為墻體發生大變形時的“二次防護”。

陽超[5]開展裝配式混凝土砌塊填充墻體的平面外地震反應及墻體的受力分析，并結合墻體的受力分析結果，提出合理配筋對墻體承載能力及延性的影響。在此基礎上，選擇4 組填充墻體框架進行平面外地震性能試驗，通過對各構件承載力、變形等數據的分析，得到不同高厚比、不同節點形式下填充墻體平面外破壞形態的變化規律。

2.3 目前研究存在的問題及發展趨勢

裝配式砌體墻具有很多優點，可廣泛應用于民用建筑中。但由于自身結構存在的一些問題，在地震的作用下結構本身非常容易發生破壞。目前研究中存在的問題及砌體墻研究的發展趨勢如表1 所示。

表1 裝配式砌體墻研究中存在的問題及發展

3 砌體抗震性能的非線性有限元分析

3.1 砌體抗震的彈塑性受力分析

近年來，國內外眾多學者采用非線性有限元方法對受壓砌體進行了彈塑性分析，并對其計算模型、材料的本構關系、破壞判段依據和分析方法的建立作了一些有益的探索。關于砌體抗震的彈塑性受力分析方法總結如表2 所示。

表2 關于砌體抗震的彈塑性受力分析方法總結

劉桂秋[6]按照他們所認為的在剪切與擠壓條件下的砌體損傷規律，采用MSC.Marc 方法對砌塊墻進行了本構的非線性數值模擬分析，并由此得出了墻體開裂壓力、極限水平抗剪強度，及其對應的建筑物頂部極限水平應變的預測值，這些預測結果都與實際觀測結果相吻合。趙衍[7]采用MSC.Marc 中所提供的低拉伸材料的本構關系，對混凝土小型砌塊墻體進行了非線性有限元分析，所得出的破壞荷載與試驗平均值吻合比較理想。

目前對砌體抗震性能的有限元研究大部分采用的是整體式建模。除此之外，不少學者嘗試采用分離式建模對砌體墻體進行分析，得到了更為精細的研究結果。朱伯龍等[8]通過擬靜力實驗，對砌塊墻進行了彈塑性分析，在灰縫中使用了零厚的接觸單元，并考慮了砂漿的剪切、壓縮和拉伸剛度，并使用了Drucker-Prager 屈服準則，分析與試驗較吻合。王述紅等[9]通過應用損傷力學的概念，對砌體在抗折、局部抗壓、剪壓復合作用下的受力及變形進行了細觀的模擬。并且通過將基質基元、空氣基元、接觸基元之間進行相互轉化，成功模擬了裂縫的開、閉及在裂縫面上的應力狀態。

3.2 目前研究存在的主要問題

由于砌體結構非線性有限元模擬的復雜性，目前在模型選取、材料本構、裂縫模擬、迭代算法、收斂準則等有限元分析的關鍵問題方面尚未總結出一般性的規律和結論可供參考。因此，如何從實際工程的角度出發，考慮砌體結構的各種非線性因素，將砌體結構非線性有限元分析方法應用于裝配式砌體結構抗震性能分析是值得進一步深入研究和探討的課題。

4 裝配式砌體結構未來發展

裝配式砌體結構是將建筑物的各個構件進行工業化預制生產，并在現場完成組裝的一種建筑模式。與傳統的砌體結構施工方式相比較，預制裝配式砌體結構的施工速度更快，施工周期也更短，并且施工質量更容易得到保證，與“創新、協調、綠色、高效、節能、環保”的建筑理念相符合，這對于我國提高生產力水平、推動建筑產業轉型升級等都有很大的幫助[10]。傳統的小塊粘土磚以其耗能大、毀田多，運輸量大的缺點越來越不適應可持續發展和環境保護的要求，對其改革勢在必行。復合砌塊墻體材料，也是今后的發展方向。我國在復合墻體材料的應用方面已有一定基礎，宜進一步改善和完善配套技術，大力推廣。

5 結語

近年來，由于中國建筑行業的工業程度進一步提高，對裝配式施工建筑物結構的基礎理論研究成果和建造技術規范也日趨完善，加上地方政府部門的不斷加力促進，中國裝配式施工建設發展的趨勢日新月異。希望經過本文的分析研討，能夠對推動裝配式砌體結構在中國的迅速高效發展起到一定作用。