砌體結構抗震性能影響因素研究綜述

宋傳泳 王金男 董彥超 杜長利 王立君

砌體結構與混凝土結構、鋼結構作為當今世界三大主流建筑結構類型，與后兩者不同，砌體結構的設計初衷就是利用墻體的抗壓性能來抵抗外界荷載，一般屬于剛性建筑，其建造理念也相對較為簡單。所以在古代科學技術并不發達的時候砌體結構得到了廣泛的應用。砌體結構作為較為古老的建筑結構體系，至今已有近萬年的歷史，隨著歷史的演變，砌體結構也得到了長久的發展。在南宋時期砌體結構得到大量使用。后經社會發展，砌體結構在我國各地得到廣泛使用。它的優勢在于：第1，造價相對較低：砌體結構所需要的原材料通常比其他結構更為便宜，而且不需要大型機械設備，施工成本也相對較低。第2，耐久性較好：砌體結構所用到的砌塊材料具有耐火、耐久特性，并且使用壽命長，幾乎不受周圍環境的影響。第3，施工過程相對簡單：相比其他結構，砌體結構施工主要由人力砌筑，不需要特殊的機械設備，和混凝土施工不同，砌體結構施工不需要支模板。新砌筑的砌體早期就有一定強度，即可承受一定荷載，因而可以連續施工。第4，隔音效果好：由于砌體結構密實且重量較大，因此能夠隔音，降低噪聲。

同樣，它也有一定的缺點：第1，建筑物整體重量較大：砌體結構所用的磚、石等材料比較重，因此建筑整體重量較大，增加了建筑物的自重。第2，施工時間長：由于砌體結構需要一塊一塊地砌起來，相對其他結構施工時間較長。第3，熱傳導性較高：磚、石等材料的熱傳導性能較差，易導致室內溫度下降，需要增加保溫措施。第4，抗震性能差，如果建筑物所處地區經常發生地震，那么砌體結構可能受到較大影響，出現裂縫和倒塌等情況。

砌體結構的抗震性能一直是被廣泛研究的焦點，與其他結構相比，砌體結構的延性低，抗震性能較差，在地震發生時，往往率先發生破壞。

1 砌體結構抗震性能研究

國內學者蘇啟旺等[1]通過擬靜力試驗研究結構的受力特點，并通過函數公式計算構造柱的存在對結構延性的影響程度。蔣利學等[2]分析了砌體結構的抗倒塌性能，提出了5 個重要因素—最不利構件的設計強度、抗震措施、過度內力再分配、結構延性和材料強度。楊明飛等[3]以某項目為研究對象，對該項目中的砌體結構建筑進行鑒定與分析，分別檢測了構造柱的數量與砌筑砂漿的強度等級。魯若帆等[4]以構造柱和墻體損壞程度與先后順序研究砌體結構在地震作用下的結構響應，即當地震程度較小時地震作用由墻體來承擔，隨著地震強度的增加構造柱逐漸發揮作用。綜上，本文選取構造柱數量、砌筑砂漿強度、結構層數以及抗震墻厚度幾個影響因素，論述對砌體結構抗震性能的影響。

2 砌體結構抗震性能影響因素

2.1 構造柱數量對砌體結構抗震性能的影響

王驍等[5]采用ABAQUS 軟件進行建模分析，地震動采用雙向輸入，并將峰值地面加速度 （Peak Ground Acceleration ，PGA）調幅為0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40、0.60 及0.80 g進行時程分析。因為砌體結構在震中往往是底層損壞最為嚴重，又因為砌體結構發生塑性變形后，縱向層間位移遠遠大于橫向，所以以底層縱向層間位移的最大值來代表結構的損傷。

通過時程分析可知，當地震動PGA 在0.05 與0.20 g 之 間 時，各 模型的結構響應相似，層間位移角非常接近，此時各結構處于基本完好或輕度損壞狀態[6]。該現象表明當PGA ≤0.20 g 時，構造柱數量的不同對結構抗震性能影響很小，此時并不能體現構造柱對結構抗震性能的加強。當地震動PGA在0.30與0.60 g之間時，構造柱的作用得到很好的體現，即構造柱布置的數量越多層間角位移越小，砌體結構的抗震性能越高。當地震動PGA 為0.80 g 時，所有工況中結構基本倒塌，此時不能明顯體現出構造柱對砌體結構抗震性能的加強。

魯若帆等[4]對3 層和6 層砌體模型進行時程分析，其中3 層的砌體結構無構造柱，6 層的結構按規范設置構造柱。通過控制PGA 來繪制易損性曲線。通過研究構造柱的破壞機理得出，構造柱對抑制墻體開裂效果不明顯，但當地震作用強度增大，結構發生較嚴重的破壞時，構造柱的存在能很好的防止結構倒塌。

2.2 砂漿強度對砌體結構抗震性能的影響

熊立紅[6]使用軟件構建3 個砂漿強度等級為M5、M7.5 和M10 的5層砌體模型，其余設置一致。然后對模型進行增量動力分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）分析，繪制結構易損性曲線。最后得到，當以砌筑砂漿為變量而其他條件均相同時，結構的變形與砌筑砂漿強度有關，砂漿強度越低，結構的變形越大。當PGA ＜0.20 g 時，IDA 曲線也可近似于直線，在此時最有可能體現為建筑結構的彈性階段，但這時砌筑砂漿所體現的效果并不突出。反之當0.20 g＜PGA ＜0.50 g 時，由于曲線的坡度已經開始上升，砌筑砂漿強度為M10的建筑結構相比之下變化最小。在相同的PGA 作用下，使用M5 的結構損壞的概率最高，當PGA 為0.40 g 時，采用M5 的結構比采用M10 的結構的破壞的概率高出27.74%。

張永群[7]以砂漿強度為M1.0、M2.5、M5.0 和M10.0 進行分組建模，然后通過控制峰值加速度繪制各模型的易損性曲線。對比曲線得出，砂漿強度的提高，結構易損性降低，砌體結構的抗震性能得到加強并主要集中在抗剪能力的提升。砂漿強度越高，結構在受到地震作用時破壞的概率越小。由此可見砌筑砂漿強度等級對砌體結構抗震性能的影響很大，其作用并不能忽略。

2.3 結構層數對砌體結構抗震性能的影響

隨著我國經濟的高速發展、人口數量的增多以及城鎮化加快。單層建筑已不足以滿足人們的生活與工作要求，以至于建筑開始增加層數來獲得更大的空間。但建筑在滿足人們需求的同時，其抗震性能不應被忽略。為此本文總結結構層數對砌體結構抗震性能的影響，如表1 所示，表中文獻分別用了3 種不同的研究方法，但都直接體現出結構的損壞程度與其樓層數量有很大的關聯。即其他條件相同時，樓層數量越多，結構的損壞的概率越大。其中樓層數相差越大，結構受損情況愈發明顯。結合汶川地震與唐山地震的震害調查來看，當設防烈度相同時，房屋層數越多結構破壞的越嚴重。所以樓層因子對砌體結構抗震性能的影響不可忽略。

表1 結構層數對砌體結構抗震性能的影響研究現狀

2.4 抗震墻厚度對砌體結構抗震性能的影響

在建筑物的外圍結構層中，因建筑材料的不同或者建筑構造不同使得其導熱系數不一致，而造成熱傳導不一致的情況發生。比如門窗處（縫隙處理）、結構圈梁、暗柱（鋼筋密集）處等部位，冬季不保溫、夏季不隔熱，不利于建筑的節能保溫，能耗消耗大，需要對這些部位進行特殊處理達到節能減排的作用。我國幅員遼闊，尤其是南北方氣候差異較大，對于砌體結構來說考慮到保溫這一點，各地區的砌體建筑墻體厚度往往不同，為此根據砌體結構不同的墻體厚度在全國劃分為三類區域，如表2 所示。魯若帆等[9]通過有限元軟件對三類區域進行時程分析，得到各區域的地震易損性曲線。最后得出，不同的墻體厚度，其結構響應差異明顯，總的體現為墻體越厚，結構的損傷越低。通過所得易損性曲線的對比，可明顯看出隨著從Ⅲ區到Ⅱ區再到Ⅰ區的磚砌體結構墻體厚度的增加，其抗震能力不斷增強。這是因為墻厚的增加不但增加了結構的剛度，同時也增加了磚砌體墻體的極限承載力，所以根據實際情況設計的不同區域的磚砌體房屋的墻體厚度越大，其結構的抗震能力越好。由此說明，在該強度地震作用下，隨著墻體厚度的增加，各結構發生嚴重損傷和破壞情況變少，而對保持結構的完整情況則變多，這就是說，墻體越厚，結構越不容易出現較為嚴重（嚴重破壞和毀壞）的損壞情況。

表2 不同區域砌體結構墻體一般厚度

3 砌體結構抗震性能總結

綜上所述，對于砌體結構抗震性能本文總結以下4 點：

1）對砌體結構而言，當地震作用強度較小，結構處于基本完好或輕微破壞狀態時，構造柱發揮的作用不明顯。隨著地震作用強度變大，結構變形增加，構造柱開始發揮作用。PGA相同時，構造柱布置數量越多，結構的變形越小，構造柱對結構的約束能力得到充分體現。當結構發生嚴重破壞或倒塌時，構造柱已無法發揮作用。因此，在設計和建造砌筑結構時，為增加結構延性與提高結構抗震性能，構造柱布置的位置和數量，應嚴格按照規范要求。并且在客觀條件支持的情況下，可以增加構造柱的數量。

2）當地震作用強度較小，結構處于彈性狀態。隨著地震作用強度增加，砂漿等級對體結構抗震能力的影響變大，采用M5 的結構比采用M10 的結構的破壞的概率最大可高出27.74%。當地震作用強度持續升高，結構發生嚴重破壞或倒塌時，砂漿的作用便不再明顯。因此，在設計建造砌體結構時，不應使用強度等級過低的砌筑砂漿，如經濟條件允許，還應適當增加砂漿的強度等級。

3）通過本文總結可知，結構的損壞程度與其樓層數量有很大的關聯。即其他條件相同時，樓層數量越多，水平地震作用使房屋底部剪力增大，結構的損壞的概率越大。而且破壞往往集中在第一層。因此，在滿足人們對空間的需求的同時，結構的抗震性能應得到充分的保證。砌體結構抗震性能比其他結構相對較弱，所以不僅要考慮樓層的數量，建筑的總高度也是一個重要因素。所以高層建筑不宜選用砌體結構。

4）墻體厚度在建筑結構設計中具有重要的作用，特別是對于砌體結構的穩定性、承載能力、抗震性能和隔熱隔聲等方面有著直接的影響。適當的墻體厚度可以提高結構的能量耗散能力，使結構能夠更好地吸收和分散地震能量，從而減小地震引起的結構位移和應力。通過對比發現，不同的墻體厚度，其結構響應差異明顯，總的體現為墻體越厚，結構的損傷越低。因此，在設計和建造砌筑結構時，為提高結構抗震性能與保溫性能，并且在客觀條件支持的情況下，可以增加砌體結構墻體的厚度。

4 結語

目前，砌體結構仍是我國現存的主要結構形式，尤其是在城鎮和農村。但砌體結構也應隨著社會的發展而做出改變。本文總結砌體結構需發展的方向，以及擬解決方法：

1）提高延性、抗倒塌能力。提高砌體結構的延性及抗倒塌能力，本文主要提出兩點：第1，從約束砌體結構向配筋砌體結構發展。砌體配筋可以極大的提高結構的整體性與延性，增大結構在地震作用時的變形能力。第2，增加墻厚和增設構造柱。本文概述了構造柱與墻體厚度的重要性，增加墻厚和增設構造柱可以極大的提高結構延性并防止結構抗倒塌，以達到大震不倒。

2）發展新型砌體材料。砌體材料主要發展方向是輕質高強、節能環保，目標是：依據環境再生，協調共生，持續自然的原則，盡量減少自然資源的消耗，盡可能對廢棄物再利用和凈化。保護生態環境以確保人類社會的可持續發展。例如在各礦井，大量的開采、選礦所形成的工業垃圾、尾礦等可用于制作外墻材料，既維護了環境，又利用了資源，而各種礦物、煤炭，及粉煤灰等資源十分寶貴，綜合利用粉煤灰、煤矸石、爐渣等工業廢棄物做為磚墻材料或砌塊，是絕佳的綠色可持續方法。

3）使用隔震減震技術。在砌體結構中，適當應用隔震技術。雖然目前在砌體結構中所推廣使用的橡膠墊隔震在技術上已經相當完善了，但在經濟上和耐久性等方面還是有研究的余地的。所以，建議在砌體結構中適當引入這種工藝是合理的。

4）完善評估體系。完善砌體結構基于性能的抗震設計與評估體系。如簡單結構的概念設計和抗震墻面積率控制、磚墻平面內彎曲或傾覆破壞模式及其計算分析、磚墻平面外倒塌的計算分析與防倒塌措施等。