針對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的支撐加固方案設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王海潮 ，王國新

（1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部水利工程學(xué)院 工程抗震研究所，遼寧 大連 116024）

0 引言

磚混結(jié)構(gòu)作為我國主要的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，自上個(gè)世紀(jì)70年代以來被廣泛應(yīng)用于各類建筑工程中，曾一度占建筑總量的六成以上[1]。但隨著大量的工程實(shí)踐，其砌體材料抗彎、抗剪和抗拉性能差，砂漿粘結(jié)力弱，整體性一般的缺點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)。歷次的地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)也表明，磚混結(jié)構(gòu)在地震作用下容易發(fā)生損壞或坍塌，抗震性能較差，因此針對(duì)磚混結(jié)構(gòu)進(jìn)行震前加固具有重要意義。木支撐結(jié)構(gòu)具有取材加工方便，操作簡單快捷，結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以快速高效地應(yīng)用于各類空間尺寸的磚混結(jié)構(gòu)中，增強(qiáng)建筑抗震性能。本文依據(jù)磚混結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩類支撐形式，通過地震荷載作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，研究多種工況條件下磚混結(jié)構(gòu)的破壞形式及特點(diǎn)，對(duì)比不同地震強(qiáng)度下支撐結(jié)構(gòu)對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的抗震加固效果，從而為工程實(shí)際提供參考。

1 支撐結(jié)構(gòu)的模型模擬

1.1 支撐的結(jié)構(gòu)尺寸

本文依據(jù)磚混結(jié)構(gòu)的破壞特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“窗”式和“門”式兩類支撐，其外部整體尺寸根據(jù)后文中磚混結(jié)構(gòu)模型的布置需求確定，內(nèi)部構(gòu)件截面均為矩形，具體結(jié)構(gòu)形式如下。

“窗”式支撐整體尺寸為1.5m×1.2m，立柱及橫梁寬150mm，內(nèi)部斜撐寬100m，整體厚度與墻體一致取240mm?！伴T”式支撐整體尺寸為5.76m×3.18m，立柱、橫梁及斜撐均為300mm×300mm。

圖1 支撐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of timber support

1.2 支撐的材料參數(shù)

木材具有顯著的各向異性特征，本文將其簡化為正交各向異性材料[2-3]，以X、Y、Z軸分別代表木材順紋縱向、橫截面徑向及橫截面弦向三個(gè)方向。選用花旗松作為支撐結(jié)構(gòu)用材，根據(jù)文獻(xiàn)[4]中測(cè)得的花旗松相關(guān)參數(shù)，其木材彈性參數(shù)見表1。

考慮到木材作為正交各向異性材料，在各方向上的拉壓屈服強(qiáng)度不一致，本文采用廣義Hill準(zhǔn)則[5]分析木材的彈塑性。確定花旗松各向屈服應(yīng)力如表 2 所示[4、6]。

表1 木材彈性常數(shù)

表2 木材屈服應(yīng)力

2 磚混結(jié)構(gòu)的模型模擬

2.1 磚混結(jié)構(gòu)的尺寸及材料參數(shù)

本文依據(jù)農(nóng)村地區(qū)常見磚混住宅建筑特點(diǎn)，選用三層磚混結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)層高3.3m，墻厚240mm，預(yù)制樓板厚120mm，構(gòu)造柱尺寸為240mm×240mm。磚墻采用MU10燒結(jié)普通磚和M7.5混合砂漿砌筑，樓板及構(gòu)造柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，構(gòu)造柱內(nèi)縱筋采用 4Φ12，箍筋為Φ8@200。結(jié)構(gòu)平面布置情況如圖2所示。

在ABAQUS中，砌體和混凝土部分采用三維實(shí)體建模，選擇C3D8R[7]單元模擬進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋼筋采用T3D2單元建模，選擇Truss單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格并嵌入（Embed） 到對(duì)應(yīng)構(gòu)件中。

圖2 模型平面布置圖Fig.2 Floor plan of the model

2.2 磚混結(jié)構(gòu)的材料本構(gòu)關(guān)系

本文采用混凝土損傷塑性模型（CDP模型）建立混凝土及砌體部分材料的本構(gòu)關(guān)系。其中混凝土的單軸受拉（壓）應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]C.2.4（C.2.3） 選用；砌體材料的受壓本構(gòu)關(guān)系選用楊衛(wèi)忠[9]模型，受拉本構(gòu)關(guān)系參照文獻(xiàn)[10]選用；鋼筋認(rèn)為是理想彈塑性材料，采用強(qiáng)化二折線模型。

2.3 地震波的選取與調(diào)幅

本文選用EL CENTRO波，截取前其20s的波形作為地震動(dòng)輸入。采用雙向地震動(dòng)加載，其中Z向（橫墻）地震波最大幅值分別取125 cm/s2、220 cm/s2、400cm/s2，X向（縱墻） 最大幅值為Z向的0.85倍。

2.4 支撐布置位置設(shè)計(jì)

針對(duì)磚混結(jié)構(gòu)中開洞墻體為薄弱環(huán)節(jié)，震損嚴(yán)重的特點(diǎn)，本文所設(shè)計(jì)的支撐圍繞開洞墻體布置。其中“窗”式支撐布置在窗洞口內(nèi)，與墻體平齊；為盡可能保證房門通行，“門”式支撐布置在開門洞墻體內(nèi)側(cè)，與墻體平行。具體布置方式如圖3所示。其中綠色為磚混結(jié)構(gòu)，藍(lán)色為支撐結(jié)構(gòu)。

圖3 支撐布置示意圖Fig.3 Diagram of timber shoring position

3 支撐加固對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的抗震性能影響

本文以磚混結(jié)構(gòu)中的磚墻部分作為主要研究對(duì)象，考慮到磚砌體屬于脆性材料，易發(fā)生受拉破壞，而受壓破壞影響相對(duì)較少，故本文選用受拉損傷來表征結(jié)構(gòu)的破壞位置及大小[12]。在實(shí)際軟件模擬中，利用受拉損傷參數(shù)云圖（DAMAGET）模擬結(jié)構(gòu)損傷及裂縫出現(xiàn)的位置及大小，相應(yīng)的受拉損傷參數(shù)反映了結(jié)構(gòu)單元的破壞程度[12]。

損傷云圖（圖4） 結(jié)果表明：磚混結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在門窗洞口處，一層底部墻體處，建筑拐角和墻體連接處，同時(shí)底部樓層破壞程度明顯高于上部樓層，破壞特點(diǎn)與實(shí)際震害表現(xiàn)相符；隨著地震強(qiáng)度增大，結(jié)構(gòu)損傷不斷加劇，在PGA等于125cm/s2時(shí)損傷出現(xiàn)在墻角及窗口處，220cm/s2時(shí)損傷面積增大并在一層出現(xiàn)貫穿裂縫，而PGA增大到400cm/s2時(shí)結(jié)構(gòu)的一層已出現(xiàn)大面積損傷破壞。對(duì)比損傷云圖，可以發(fā)現(xiàn)，布置支撐能夠減小磚混結(jié)構(gòu)的震后損傷破壞，但在不同強(qiáng)度地震作用下，支撐的抗震加固效果存在差異。

3.1 墻體受拉損傷參數(shù)

磚混結(jié)構(gòu)中開洞墻片受損嚴(yán)重，為主要研究目標(biāo)，本文限于篇幅僅以①軸墻體為例，提取其平均受拉損傷參數(shù)時(shí)程曲線（圖5），從圖中可以看出，僅增大PGA對(duì)磚混結(jié)構(gòu)墻體的損傷時(shí)程發(fā)展規(guī)律影響不大，各工況條件下模型墻體的損傷破壞主要是在地震波加載1s后產(chǎn)生，在1.5s～5.5s時(shí)迅速發(fā)展，到達(dá)峰值后基本保持穩(wěn)定。對(duì)比來看，各加固方案下的墻體損傷曲線均低于對(duì)應(yīng)地震動(dòng)強(qiáng)度下的無支撐結(jié)構(gòu)，說明布置支撐可以減小墻體震后的損傷破壞，但具體加固效果有著一定的差異。

提取第20s時(shí)各墻體的平均受拉損傷參數(shù)值（表3），結(jié)果表明：受結(jié)構(gòu)平面兩方向上剛度大小及輸入地震波強(qiáng)弱的影響，橫墻受損程度要大于縱墻，同時(shí)下部樓層破壞遠(yuǎn)大于上層；針對(duì)破壞最嚴(yán)重的一層，布置支撐在PGA等于125cm/s2時(shí)可以降低墻體72%～82%的損傷，220cm/s2時(shí)可以降低10%～40%的損傷，而PGA增大至400cm/s2時(shí)僅可以降低2%～18%的損傷，說明隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，支撐對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的加固效果逐漸減弱。

3.2 受拉損傷面積百分比

為了更方便的判斷磚混結(jié)構(gòu)整體的破壞程度以及支撐加固后的性能水平，本文以各層墻體的受拉損傷面積百分比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考文獻(xiàn)[13]中的劃分標(biāo)準(zhǔn)（表4），對(duì)各工況下的磚混結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)比分析表5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

圖4 結(jié)構(gòu)受拉損傷云圖Fig.4 Structural tensile damage cloud

圖5 墻體受拉損傷參數(shù)Fig.5 Parameter of wall tensile damage

表3 墻體受拉損傷參數(shù)比

布置支撐可以減小磚混結(jié)構(gòu)中墻體的震后損傷面積，在PGA為125cm/s2的地震作用下結(jié)構(gòu)仍處于正常使用狀態(tài)，布置支撐可大幅減少（77%以上）薄弱處出現(xiàn)的損傷面積，加固效果顯著；在220cm/s2時(shí)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)中等破壞，布置支撐可將結(jié)構(gòu)墻體加固至輕微破壞，有效降低（22%以上） 破壞面積；在PGA達(dá)到400cm/s2時(shí)結(jié)構(gòu)已接近倒塌，布置支撐的幫助相對(duì)有限（3%～9%），結(jié)構(gòu)的性能水平未發(fā)生明顯改善。

表4 損傷面積百分比限值

表5 受拉損傷面積百分比

3.3 層間位移角

布置支撐增強(qiáng)了磚混結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)其震后位移變形的減小有一定效果。依據(jù)文獻(xiàn)[14]中針對(duì)多層砌體結(jié)構(gòu)總結(jié)的層間位移角限值（表6）進(jìn)行劃分，表7中給出了各工況條件下磚混結(jié)構(gòu)的震后層間位移情況，可以看出：結(jié)構(gòu)的最大層間位移發(fā)生在一層沿橫墻方向，PGA等于125cm/s2時(shí)原結(jié)構(gòu)及支撐加固結(jié)構(gòu)都處于完好狀態(tài)；220cm/s2時(shí)原有結(jié)構(gòu)處于中等破壞狀態(tài)，而布置支撐后結(jié)構(gòu)改善至輕微破壞狀態(tài)；400cm/s2時(shí)兩類結(jié)構(gòu)都已嚴(yán)重破壞接近倒塌。

表6 層間位移角限值

表7 層間位移角

上述結(jié)果表明：在控制位移變形方面，支撐受限于自身的材料、結(jié)構(gòu)性能對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的整體性能提升有限，在強(qiáng)烈地震動(dòng)作用下，磚混結(jié)構(gòu)變形逐漸加大，支撐的加固效果由35%逐漸降至7%，加固效果的減弱較為明顯。

4 結(jié)論

本文依據(jù)磚混結(jié)構(gòu)破壞特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩類支撐形式，通過地震荷載作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，選取受拉損傷參數(shù)平均值、受拉損傷面積百分比和最大層間位移角作為衡量指標(biāo)，研究多種工況條件下磚混結(jié)構(gòu)的破壞形式及特點(diǎn)，對(duì)比支撐結(jié)構(gòu)對(duì)磚混結(jié)構(gòu)的抗震加固效果，得出以下結(jié)論：

（1）磚混結(jié)構(gòu)破壞主要發(fā)生在門窗洞口處，一層底部墻體處，建筑拐角和墻體連接處，與實(shí)際震害表現(xiàn)相符，在相應(yīng)薄弱構(gòu)造處布置支撐結(jié)構(gòu)是合理且必要的。

（2） 兩類支撐結(jié)構(gòu)搭配使用對(duì)磚混結(jié)構(gòu)有著較好的加固效果，可以有效控制結(jié)構(gòu)的位移變形，降低墻體的損傷破壞；在地震波最大加速度幅值125cm/s2時(shí)，布置支撐可以減小61%以上的破壞面積，降低35%以上的層間變形；在220cm/s2時(shí)，布置支撐可以減小22%以上的破壞面積，降低15%以上的層間變形；在400cm/s2時(shí)，布置支撐可以減小7%以上的破壞面積，降低9%以上的層間變形。

（3） 隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大，磚混結(jié)構(gòu)的損傷不斷加劇，支撐結(jié)構(gòu)受限于自身的材料、結(jié)構(gòu)性能以及作為附加構(gòu)件對(duì)磚混結(jié)構(gòu)整體性能提升有限，支撐的加固效果會(huì)逐漸減弱，因此在應(yīng)用過程中需依據(jù)實(shí)際狀況對(duì)加固效果進(jìn)行謹(jǐn)慎評(píng)估。