高校典型砌體宿舍樓抗震安全性能評估

莊裕林，肖峻峰，吳盼盼

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

由于砌體結(jié)構(gòu)施工方便、造價較低，在過去的很長一段時間被作為高校多層宿舍樓的主要結(jié)構(gòu)形式，但因其抗彎、抗剪、抗壓的能力較差，在地震作用下更易發(fā)生破壞[1]，給人們的生產(chǎn)生活造成巨大的災(zāi)難。對于砌體結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，國內(nèi)許多學(xué)者也做了相應(yīng)的研究[2-5]，近年來，隨著我國中小學(xué)校舍抗震鑒定與加固工作的全面展開[6，7]，對許多砌體結(jié)構(gòu)房屋進行了安全性能檢測及加固，但對于高校內(nèi)一些仍在使用的老舊砌體宿舍樓，由于缺乏相關(guān)政策要求，導(dǎo)致其未能進行抗震安全性能評估及檢測加固。針對上述問題，本文對安徽某高校典型宿舍樓抗震安全性能進行研究，通過模擬宿舍樓在不同抗震設(shè)防烈度下的結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)，為現(xiàn)有及類似老舊砌體宿舍樓的抗震安全鑒定與加固提供參考。

1 工程概況及模型分析

1.1 工程概況

此學(xué)生宿舍樓始建于20世紀(jì)70代，是典型的砌體結(jié)構(gòu)樓體。通過對研究對象進行現(xiàn)場實測，其中磚和砂漿的強度等級分別為MU10及M7.5，樓板、圈梁及構(gòu)造柱等構(gòu)件都是強度等級為C20混凝土，鋼筋按構(gòu)造配筋均采用Ⅰ級鋼筋。

為了計算機計算的方便，簡化處理了原結(jié)構(gòu)的外形尺寸：在縱向?qū)⒎块g選定為規(guī)則的六跨，并且未考慮樓梯間對模型整體抗震性能的影響；門洞的寬高為1700 mm×2500 mm，窗臺的高度為1100 mm，縱向上窗洞的寬高為1500 mm×1900 mm；橫向上未做簡化，與原結(jié)構(gòu)保持相同；高度上只建立四層，層高3280 mm，如圖1所示。

圖1 砌體宿舍樓結(jié)構(gòu)平面圖

1.2 模型建立

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立三維整體模型[8,9]。由于本文主要研究砌體結(jié)構(gòu)的宏觀反應(yīng)情況，所以在模型的建立當(dāng)中，是將整個砌體墻體看作各向性質(zhì)統(tǒng)一且均勻連續(xù)單元，不考慮砂漿與磚體間的黏結(jié)作用關(guān)系，采用類似“素混凝土”來模擬；構(gòu)造柱及圈梁采用三維實體 C3D8R(8 節(jié)點減縮積分單元)來模擬；對于鋼筋，則采用T3D2(二次三維桁架單元)進行模擬。模型的構(gòu)造柱、圈梁以及磚砌體之間的鏈接約束采用Tie(捆綁)約束；構(gòu)造柱和圈梁中的鋼筋是采用Embedded Region(嵌入?yún)^(qū)域)約束。三維整體模型見圖2。

圖2 砌體宿舍樓模型

1.3 應(yīng)力分析

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式(1)和式(2)所示，砌體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式(3)所示[10]。

當(dāng)x≤1時

(1)

當(dāng)x>1時

(2)

(3)

2 模態(tài)分析及時程分析

2.1 模態(tài)分析

通過采用ABAQUS/Standard分析模塊中的線性攝動分析步(Linear Perturbation)的頻率提取分析步進行模態(tài)分析，如圖3，同時提取前6階自振周期及振動特征如表1。

圖3 二階扭轉(zhuǎn)模態(tài)云圖

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

由表1可知，房屋的1階振型是沿房屋水平橫向振動，4階振型和6階振型是沿豎向振動，由于房屋豎向通常設(shè)有門洞及窗洞，因此相比于橫向，豎向抗側(cè)結(jié)構(gòu)剛度較小，對房屋整體的抗震性能有一定影響；2階、3階、5階振型中，結(jié)構(gòu)繞豎向扭轉(zhuǎn)程度較大，體現(xiàn)了其抗扭能力較弱，在地震發(fā)生時，容易發(fā)生倒塌。

2.2 時程分析

時程分析中該選何種地震波是分析問題的關(guān)鍵所在，結(jié)合實際場地情況，本文選取與合肥地區(qū)場地類別相類似的世界強震記錄Taft地震波(N2lE/1952)作為輸入地震波，如圖4所示。

圖4 Taft地震波加速度時程圖

此地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g，宿舍樓場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s。因此，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)5.1.2節(jié)對時程分析所用的地震波加速度時程的最大加速度的規(guī)定：地震影響為多遇地震的6度設(shè)防地區(qū)加速度時程的最大值為18 cm/s2,地震影響為多遇地震的7度設(shè)防地區(qū)加速度時程的最大值為35 cm/s2,地震影響為罕遇地震的6度設(shè)防地區(qū)加速度時程的最大值為125 cm/s2,地震影響為罕遇地震的7度設(shè)防地區(qū)加速度時程的最大值為220 cm/s2[11]

采用Taft地震波，結(jié)合規(guī)范中輸入地震最大加速度設(shè)置如下四個工況進行砌體宿舍樓進行地震反應(yīng)分析，如表2所示。

表2 工況點設(shè)置

沿模型橫向、縱向施加Taft地震波，模擬砌體結(jié)構(gòu)在不同地震烈度下地震反應(yīng)，房屋各層綜合位移云圖如圖5。由圖5知，在同一設(shè)防烈度下，罕遇地震對房屋的位移影響比多遇地震大，如6度設(shè)防烈度下，罕遇地震對其影響的最大位移約為3.51 cm，多遇地震對其影響的最大位移約為0.49 cm。在7度設(shè)防烈度下，由于地震加速度峰值的增大，相比于6度設(shè)防烈度，樓體的位移普遍增大。且在圈梁及構(gòu)造柱處出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，此說明圈梁及構(gòu)造柱的設(shè)立有利于結(jié)構(gòu)的抗震安全?，F(xiàn)提取各樓層層間位移，如圖6所示。

圖5 不同設(shè)防烈度下模型位移云圖

本文選取蔣利學(xué)、王卓琳等人給出的層間位移角指標(biāo)作為評估砌體結(jié)構(gòu)墻體有限元模型的抗震性能指標(biāo)[12]，相應(yīng)的層間位移角限值如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)破壞與層間位移角關(guān)系及各項水平

同時整理了四個工況下層間位移角、安全性能及性能水平，如表4。

由表4可知，在設(shè)防烈度為6度的條件下，若發(fā)生多遇地震，則樓房層間位移角在1/2118～1/1387之間，此時房屋安全水平等級為“安全”，抗震性能良好；在6度罕遇地震發(fā)生時，樓房層間位移角分布范圍為1/95～1/190，此時樓房抗震性能破壞嚴(yán)重，安全水平等級為“危及生命”，不具有居住功能；在設(shè)防烈度為7度的條件下，發(fā)生多遇地震時，房屋層間位移角范圍在1/1344～1/355之間，房屋損害嚴(yán)重，易發(fā)生倒塌，安全水平為“生命安全”；7度設(shè)防條件下，

圖6 不同設(shè)防烈度下樓層層間位移

表4 結(jié)構(gòu)橫向墻體(X向)不同設(shè)防烈度下層間位移角及各項水平

發(fā)生罕遇地震，房屋層間位移角分布為1/212～1/55，房屋結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞，會造成重大災(zāi)害。結(jié)果表明此宿舍樓模型的抗震安全性能較差，應(yīng)盡快采取加固措施。

3 結(jié)論

通過利用有限元軟件ABABQUS對砌體結(jié)構(gòu)模型的抗震性能分析，得出如下結(jié)論：

1)在同一設(shè)防烈度下，罕遇地震較多遇地震的破壞程度更大，不同設(shè)防烈度下，地震等級的增大對于砌體宿舍樓的安全威脅也越大；

2)通過對比各層的層間位移可知，砌體宿舍樓的首層位移較其他層大，因此首層結(jié)構(gòu)的安全對于砌體結(jié)構(gòu)整體的安全有著至關(guān)重要的作用；

3)在抗震設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，一旦發(fā)生6度及6度以上罕遇地震時，老舊砌體宿舍樓將受到嚴(yán)重的破壞，嚴(yán)重危及人們的生命安全。故應(yīng)對現(xiàn)有此砌體結(jié)構(gòu)建筑采取加固措施或拆除，防患于未然。