村鎮(zhèn)建筑砌體結(jié)構(gòu)的動力特性分析

吳 韜, 王 浩, 易苗苗, 蔣 敏, 王艷華

(1.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230088; 2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；3.蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院,安徽 蚌埠 233018)

村鎮(zhèn)建筑砌體結(jié)構(gòu)的動力特性分析

吳 韜1, 王 浩2, 易苗苗1, 蔣 敏3, 王艷華1

(1.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230088; 2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；3.蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院,安徽 蚌埠 233018)

為探討村鎮(zhèn)建筑中低層砌體結(jié)構(gòu)的動力特性與振動機理,基于農(nóng)居調(diào)查實測的布置及材料性能數(shù)據(jù),在ABAQUS軟件中建立考慮結(jié)構(gòu)布置、材料強度及有限元網(wǎng)格控制等參數(shù)的7個有限元模型方案,對各模型進行結(jié)構(gòu)動力特性分析,并對比分析其振動形態(tài)、振型分量及振型周期。分析表明,村鎮(zhèn)建筑中按常規(guī)布置的砌體結(jié)構(gòu),其振動特性不利于結(jié)構(gòu)抗震；砌體材料性能劣化在降低結(jié)構(gòu)承載能力的同時還會放大高階面外振動分量的地震作用,加劇承重墻在地震中發(fā)生外閃倒塌的機率；如采取措施實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的基本振型為沿橫向平動,則其振動特性表明橫墻的承重與抗側(cè)能力均可有效發(fā)揮,且面外振動的高階振型被抑制,提高了結(jié)構(gòu)抗震能力；此外,本文還提出ABAQUS對殼單元沿厚度方向的網(wǎng)格控制要求。

村鎮(zhèn)建筑; 砌體結(jié)構(gòu); 動力特性; ABAQUS

0 引言

近年來歷次大震均發(fā)生在農(nóng)村地區(qū),如2008年汶川大地震、2010年玉樹地震、2013年蘆山地震、2013年岷縣漳縣地震、2014年魯?shù)榈卣鸬?均造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。震害調(diào)查及農(nóng)居抗震現(xiàn)狀調(diào)查表明[1-3],我國農(nóng)村民居的地震安全問題與城市建筑相比,具有如下顯著特征:(1)農(nóng)村地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)意識淡薄,農(nóng)居幾乎處于完全不設(shè)防狀態(tài)；(2)部分在役農(nóng)居由于選址、建造、材料等諸多因素存在明顯損傷,嚴重削弱了結(jié)構(gòu)的承載能力；(3)震中地區(qū)農(nóng)居損毀嚴重,非極震區(qū)小震成災(zāi)甚至小震大災(zāi)現(xiàn)象普遍。尤其值得關(guān)注的是,目前我國地震帶多處于活躍期[4],破壞性地震漸呈高頻多發(fā)趨勢,研究并有效解決農(nóng)居的地震安全問題已顯得尤為迫切和重要。根據(jù)調(diào)查顯示,我國村鎮(zhèn)建筑的結(jié)構(gòu)形式中砌體結(jié)構(gòu)占到60%以上[5],但針對砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究報道并不多[6-7],尤其是村鎮(zhèn)建筑中量大面廣的低層砌體結(jié)構(gòu),其自振特性包含了一定程度面外振型,但其振動機理及影響因素尚未進行深入研究。

安徽省農(nóng)居抗震研究有其獨特的地質(zhì)構(gòu)造背景,著名的郯廬斷裂帶斜貫全省,一直是地震危險重點監(jiān)視區(qū)[8]。此外安徽省還隸屬于揚州-銅陵地震帶、麻城—常德地震帶、許昌—淮南地震帶。近幾年中小震頻發(fā),并多次致災(zāi),其抗震設(shè)防工作嚴峻。安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金重點項目“郯廬斷裂帶安徽區(qū)段農(nóng)居的地震安全性能研究”的調(diào)查結(jié)果表明,隨著地震安全農(nóng)居工程的逐步推進,低層砌體結(jié)構(gòu)地震安全性能將成為該區(qū)域農(nóng)村地區(qū)抗震設(shè)防工作的重心之一。本文根據(jù)課題組現(xiàn)場實測的結(jié)構(gòu)布置及建筑材料性能數(shù)據(jù),設(shè)計安徽村鎮(zhèn)典型農(nóng)居的基本結(jié)構(gòu)方案,并在ABAQUS軟件中擴展建立多個有限元模型,分析結(jié)構(gòu)參數(shù)及有限元控制方法對結(jié)構(gòu)動力特性的影響,據(jù)此提出農(nóng)居結(jié)構(gòu)的合理布置及參數(shù)方案,以期為后續(xù)科研或加固改造方案及制定相關(guān)村鎮(zhèn)建筑抗震設(shè)防標準提供參考依據(jù)。

1 砌體結(jié)構(gòu)分析模型

1.1 結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)課題組前期調(diào)查結(jié)果表明,安徽村鎮(zhèn)建筑的結(jié)構(gòu)形式主要為砌體結(jié)構(gòu)(調(diào)查中磚混結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)占總數(shù)的89%)。典型農(nóng)居的主要平面布置如圖1所示,縱墻和內(nèi)橫墻上一般布置有門、窗洞。

圖1 模型平面布置(單位:mm)Fig.1 Model plane layout (Unit:mm)

本文采用兩開間方案建立分析模型,平面布置及墻體尺寸如圖1(a)所示,共2層,層高根據(jù)調(diào)查結(jié)果取統(tǒng)計平均值3.6 m。實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)圈梁構(gòu)造柱等抗震構(gòu)造措施的設(shè)置一般未經(jīng)專業(yè)考慮及規(guī)范設(shè)置,存在諸多不合理之處,如圖2所示。為簡化分析,基本結(jié)構(gòu)方案不考慮圈梁構(gòu)造柱的作用,且樓梯采用外置分離式方案。模型中墻體為實心磚墻,材料選用普通燒結(jié)磚,內(nèi)、外墻厚度均為240 mm。被調(diào)查地區(qū)農(nóng)居的樓屋蓋一般采用預(yù)制空心板及后澆混凝土,預(yù)制板厚度主要有120 mm和150 mm兩種,混凝土后澆層厚度約30～50 mm?？紤]樓板空心的影響,本文樓屋蓋均采用經(jīng)折算后的120 mm厚實心板。模型中材料性能參數(shù)采用先期實地檢測時獲取的樣本數(shù)據(jù)(樣本農(nóng)居的統(tǒng)計平均建造時間為2002年),其中砂漿采用貫入法檢測,強度值相當(dāng)于M3.0;燒結(jié)磚采用回彈法檢測,強度值相當(dāng)于MU10;樓板混凝土采用回彈法檢測,強度值相當(dāng)于C20。

圖2 抗震構(gòu)造措施不合理Fig.2 The unreasonable details of seismic design

1.2 有限元模型

鑒于有限元分析軟件ABAQUS對非線性分析具有良好的收斂性,為課題組開展強震下村鎮(zhèn)建筑的彈塑性動力分析奠定基礎(chǔ)。本文采用ABAQUS軟件在典型農(nóng)居基本結(jié)構(gòu)方案基礎(chǔ)上擴展建立多個有限元分析模型。

由于砌體構(gòu)件是由砌塊和砂漿組合而成的二相性復(fù)合構(gòu)件,因此根據(jù)分析目的一般有兩種建模處理方式,即分離式建模和整體連續(xù)建模[9]。分離式建模是分別建立砂漿和砌塊的模型,然后將砂漿和砌塊接觸面的所有節(jié)點耦合(不考慮兩者間的粘結(jié)滑移),或者將砂漿與砌塊通過接觸單元或非線性彈簧連接(考慮兩者間的粘結(jié)滑移),該方法能較好地模擬砌塊與砂漿之間的作用及砌體構(gòu)件的破壞機理,但建模繁瑣,且計算量大,一般較適用于模擬試驗砌體構(gòu)件的破壞行為。整體連續(xù)建模是假定砌體構(gòu)件由一種均勻的連續(xù)性材料組成,即砌體構(gòu)件的工作特性與破壞形式可采用這種勻質(zhì)化新材料的性能參數(shù)進行等效表征。整體連續(xù)模型雖然對于砌體構(gòu)件的微觀性態(tài)模擬及失效機理分析顯得不足,但在模擬砌體結(jié)構(gòu)時能有效表征結(jié)構(gòu)的宏觀反應(yīng),且建模快捷、計算量小?？紤]本文主要研究典型砌體結(jié)構(gòu)方案的整體動力特性,結(jié)合課題研究目的,對砌體采用整體連續(xù)方式建模。

模型中墻體和樓(屋)面板均采用三維減縮積分實體單元(C3D8R),墻體與樓板的界面近似按綁定約束處理,單元網(wǎng)格劃分時將實體單元盡量劃分為六面體?；酒鲶w結(jié)構(gòu)方案的三維有限元模型見圖3所示。結(jié)合實地調(diào)查、材料性能檢測及有限元軟件特點,共建立了3組有限元對比模型。具體模型方案及參數(shù)見表1,其中開間均取3.6 m,砌體彈性模量根據(jù)文獻[10]提出的方法計算。

圖3 有限元三維模型Fig.3 Finite element 3D model

模型方案平面縱橫比墻體材料強度等級墻體單元厚度/mm基本結(jié)構(gòu)1．5MU10砌塊、M3．0砂漿120M1-12MU10砌塊、M3．0砂漿120M1-21MU10砌塊、M3．0砂漿120M2-11．5MU15砌塊、M5．0砂漿120M2-21．5MU7．5砌塊、M1．5砂漿120M3-11．5MU10砌塊、M3．0砂漿60M3-21．5MU10砌塊、M3．0砂漿240

2 動力特性分析

采用子空間迭代算法提取各模型方案的振型、周期及參與因子,參照經(jīng)驗公式[11]計算砌體結(jié)構(gòu)基本周期:T1=0.016 8(H0+1.2)=0.141 s,其中H0為砌體結(jié)構(gòu)高度。除M3-2外,各模型的基本周期均接近經(jīng)驗周期值,且與文獻[12]中類似結(jié)構(gòu)實測頻率接近,說明模型具有可信度。

表2給出了各模型方案的前3階振動形態(tài)。限于篇幅,本文只給出了基本結(jié)構(gòu)模型(圖4)和M3-2模型方案(圖5)的前3階振型圖,以及各模型方案中起控制的高階振型圖(圖6)。各模型在基本振型對應(yīng)方向的前10階振型參與因子分布見圖7所示。表3給出了各模型的前10階振型周期。前文所述模型參數(shù)(平面縱橫比、材料強度、墻元厚度)與周期關(guān)系對比見圖8。

2.1 振動形態(tài)

表2中有兩個模型的振動形態(tài)與其他模型有別,值得關(guān)注:(1)M1-1模型第1階振型(基本振型)為Y向平動；(2)M3-2模型前3階振動形態(tài)不是整體振動。

村鎮(zhèn)建筑中的低層砌體結(jié)構(gòu)常規(guī)采用橫墻承重,而門窗洞口主要沿縱墻布設(shè),且結(jié)構(gòu)并未進行必要的抗震概念設(shè)計,因此其基本振型一般沿縱向(X向)平動,如表2、圖4所示。地震中縱墻洞口位置往往由于應(yīng)力集中而首先破壞,而橫墻受平面外位移控制,其承載能力和抗側(cè)能力均被明顯削弱,加劇了抗側(cè)力構(gòu)件的破壞程度。如樓蓋采用預(yù)制板,由于橫墻的面外位移極易發(fā)生錨固失效而跌落垮塌。因此由M1-1的振動形態(tài)可得出如下抗震啟示:采取措施調(diào)整結(jié)構(gòu)在不同方向上的抗側(cè)剛度分布,使得橫向剛度小于縱向剛度,將有效解決上述結(jié)構(gòu)常規(guī)布置時所存在的振動不合理問題,并發(fā)揮橫墻的面內(nèi)抗側(cè)移作用,即通過改變結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)和破壞機制來改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

表2 各模型前三階振型形態(tài)

圖4 基本結(jié)構(gòu)模型前3階振型Fig.4 The first three vibration modes of basic structure model

圖5 M3-2模型前3階振型Fig.5 The first three vibration modes of M3-2 model

圖6 各模型起控制作用的高階振型圖 (注：不含M3-2模型)Fig.6 The controlling high-order vibration mode of models (Note:exclusive of M3-2 model)

圖7 各模型振型參與因子分布圖 (注：不含M3-2模型)Fig.7 The distribution of mode participation factor of models (Note:exclusive of M3-2 model)

振型基本結(jié)構(gòu)M1-1M1-2M2-1M2-2M3-1M3-210．1560．1710．1710．1190．1710．1550．43420．1350．1400．1190．1040．1490．1350．43230．0890．0940．0900．0680．0970．0880．43240．0740．0590．0840．0620．0790．0690．43050．0720．0560．0810．0600．0770．0670．40160．0650．0540．0720．0540．0710．0620．39970．0630．0540．0690．0520．0680．0600．31680．0630．0510．0680．0510．0680．0590．31690．0590．0500．0650．0470．0640．0550．294100．0560．0500．0580．0470．0610．0540．293

圖8 各模型參數(shù)對應(yīng)的周期對比(注：不含M3-2模型)Fig.8 The periods comparison corresponding to each parameter

由于ABAQUS軟件對墻元在厚度方向不劃分單元,M3-2模型計算結(jié)果中低階振型表現(xiàn)為沿墻厚方向振蕩,其振型云圖見圖5所示。該振動形態(tài)與實際結(jié)構(gòu)不符,且其振型周期和振型參與因子分布也出現(xiàn)了顯著異?，F(xiàn)象,因此判定M3-2模型為無效模型。在模型調(diào)試階段還發(fā)現(xiàn),當(dāng)對樓板在板厚方向不劃分單元時,也出現(xiàn)了上述板厚方向的振蕩,說明ABAQUS軟件在前處理模塊中對平面構(gòu)件沿厚度方向應(yīng)至少劃分2個單元,否則將出現(xiàn)異常振型和不合理的計算結(jié)果。

2.2 振型分量

由圖7中振型參與因子分布可知,各有效模型的動力特性均由基本振型和某高階振型控制,該高階振型的振型參與因子與基本振型不相上下。由圖6可知,除M1-1外其他模型的高階振型均為墻體面外振動,這就解釋了歷次地震中承重墻易發(fā)生外閃倒塌[1]的振動機理。而M1-1的高階振動形態(tài)主要是走廊懸挑板豎向振動和主體結(jié)構(gòu)沿橫向(Y向)二次平動,表明當(dāng)結(jié)構(gòu)的基本振型沿橫向平動時,其高階控制振型可轉(zhuǎn)換成整體振動,其動力特性顯然優(yōu)于墻體的面外振動。且通過圖6還可發(fā)現(xiàn),開洞墻體的面外振動峰值得到了一定程度的抑制。因此,為改善村鎮(zhèn)建筑的動力特性,提高其抗震性能,結(jié)合前述基本振型的啟示,在控制基本振型為橫向平動的前提下可對承重墻體進行分段處理,即在端部設(shè)置加強區(qū)、中部按照填充墻構(gòu)造技術(shù)處理,形成聯(lián)肢抗震橫墻,以降低結(jié)構(gòu)的高階面外局部振型分量,進而有效解決墻體外閃倒塌的震害。

2.3 振型周期

從表3和圖8(b)可以發(fā)現(xiàn),隨著材料強度降低,各階振型周期按照M2-2、基本結(jié)構(gòu)、M2-1順序依次降低,規(guī)律明顯。結(jié)合課題組的實地檢測與調(diào)查,表明材料實測強度與農(nóng)居建造年代呈現(xiàn)出較強的相關(guān)性,且起控制的高階面外振動分量隨房屋年齡的增加而被放大。因此對于沒有規(guī)范管理的建筑材料或未做抹灰層保護的墻體,其材料性能劣化問題是村鎮(zhèn)建筑抗震不容忽視的因素。

由圖8(a)可知,平面縱橫比對應(yīng)的周期在低階時無明顯規(guī)律,但在第4階及以上的各階振型中,M1-1模型的周期均小于基本結(jié)構(gòu)和M1-2模型,表明當(dāng)基本振型沿橫向振動時會進一步降低高階控制振型的地震作用。

由圖8(c)可知,沿厚度方向劃分2個單元(基本結(jié)構(gòu))和4個單元(M3-1),其振型周期計算結(jié)果基本一致?？紤]研究目標和任務(wù),本課題對各模型在殼單元沿厚度方向劃分2個單元,可滿足計算精度要求,同時能明顯提高計算效率。

3 結(jié)論

本文基于有限元軟件ABAQUS探討村鎮(zhèn)建筑中低層砌體結(jié)構(gòu)的動力特性,通過結(jié)構(gòu)平面縱橫比、材料強度及墻厚方向單元數(shù)等因素對結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)、振型分量、振型周期等影響效果進行對比分析,結(jié)果表明:

(1) 調(diào)查區(qū)域中村鎮(zhèn)建筑砌體結(jié)構(gòu)按照常規(guī)結(jié)構(gòu)布置,其基本振型一般表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)沿縱向平動,且墻體面外振動的高階振型分量不可忽視,往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在縱墻上洞口位置由于應(yīng)力集中而遭到破壞,且橫墻受到過大的面外位移而提前喪失承載與抗側(cè)移能力,部分墻體中還可能發(fā)生外閃倒塌。

(2) 如采取措施(如增大縱橫比或采用聯(lián)肢抗震橫墻等)調(diào)整結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度,使得橫向剛度小于縱向剛度,實現(xiàn)基本振型沿橫向平動,可明顯降低墻體面外振型分量,改變結(jié)構(gòu)的振動機理,使其抗震性能得到有效提高。

(3) 村鎮(zhèn)建筑經(jīng)調(diào)查與實測表明,由于多種原因其材料強度與建造時間存在明顯相關(guān)性,材料的劣化會增大高階振型周期,結(jié)構(gòu)承載能力下降的同時,水平地震作用被放大,地震損傷將相對增加。

(4) 當(dāng)采用ABAQUS有限元軟件建模時,在殼單元的厚度方向應(yīng)至少劃分2個單元,以防止模型出現(xiàn)低階面外振蕩的異?，F(xiàn)象。具體單元數(shù)可視分析目標而定。

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Dynamic Characteristics of Masonry Structures in Villages and Towns

WU Tao1, WANG Hao2, YI Miao-miao1, JIANG Min3, WANG Yan-hua1

(1.CollegeofCivil&EnvironmentalEngineering,AnhuiXinhuaUniversity,Hefei230088,Anhui,China; 2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,LTD,Maanshan243000,Anhui,China; 3.BengbuDesign&ResearchInstituteforGlassIndustry,Bengbu233018,Auhui,China)

To research the dynamic characteristics and vibration mechanism of low-story masonry structures in rural buildings, we used ABAQUS to establish seven finite element models based on a survey of rural buildings. In the models, we considered structure layout, strength of the materials, and mesh density. Then, we analyzed the dynamic characteristics of each model and compared their vibration shapes, modal components, and vibration periods. The results show that the vibration characteristics of traditional masonry structures are not conducive to seismic design and that the degradation of materials reduces the bearing capacity of the structures, while at the same time amplifying the seismic action of the wall oscillation component, which increases the probability of outward collapse in earthquake. If the basic vibration type is horizontal along the transverse direction, the seismic capacity of the structure is improved with respect to both the bearing and deformation abilities of load-bearing walls. In addition, we propose ABAQUS mesh requirements for shell elements with respect to thickness.

rural building; masonry structure; dynamic characteristics; ABAQUS

2015-11-25 基金項目:國家自然科學(xué)基金(51408179)；安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究基金重點項目(KJ2014A099)；安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金重點項目(2013SQRL098 ZD)

吳 韜(1982-),男,碩士,講師,主要從事結(jié)構(gòu)動力分析與工程防災(zāi)減災(zāi)研究。E-mail:taoxia201@163.com。

TU365

A

1000-0844(2016)06-0877-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0877