劉紅彪

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

結(jié)構倒塌是地震造成人員傷亡最主要的原因，汶川地震中，底商多層砌體結(jié)構房屋倒塌普遍，在北川縣城，該類型結(jié)構倒塌率達80%。底商多層砌體結(jié)構房屋在我國長江以南地區(qū)的中小城市非常普遍，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國現(xiàn)存該類型的房屋約2 000萬棟，涉及居住人口1.2億。研究該類型結(jié)構的抗震設計方法，提高該類型結(jié)構房屋的抗倒塌能力是社會的迫切需求。

北川縣電信局職工住宅樓是典型的底商多層砌體結(jié)構，在汶川地震中僅中等破壞。本文結(jié)合該典型實例，通過對比分析獲取了能有效提高底商多層砌體結(jié)構抗倒塌能力的抗震構造措施，并通過振動臺倒塌對比試驗驗證了該構造措施的有效性； 同時，獲得了砌體結(jié)構的倒塌破壞模式，并據(jù)此提出底商多層砌體結(jié)構以剛度匹配原則設計的抗震設計理念。本文主要工作如下：

(1) 通過實地科考，掌握了北川縣電信局職工住宅樓破壞狀態(tài)，并采用脈動法對該結(jié)構進行了模態(tài)測試，獲得了結(jié)構橫向和縱向的一階固有頻率和扭轉(zhuǎn)頻率，分別為3.45 Hz、3.65 Hz和4.05 Hz。通過對比分析可知，此結(jié)構的層數(shù)、高度、高寬比、結(jié)構的局部尺寸以及構造柱和圈梁的配筋狀況均滿足規(guī)范規(guī)定的Ⅶ度抗震設防要求； 結(jié)構的抗震橫墻間距以及圈梁的設置位置均滿足Ⅸ度抗震設防要求。通過分析該住宅樓的設計方案可知，該結(jié)構最突出的設計特點是底層臨街面縱墻門洞兩側(cè)均設置了 “翼墻” 和通層加強構造柱，這種設置形成了縱橫墻交接處的構造柱兩側(cè)或單側(cè)伸出一段由構造柱包裹的墻體，該構造措施有效增加了結(jié)構底層臨街面縱墻的抗側(cè)剛度，減小了底層前后縱墻的剛度差，減輕了結(jié)構的扭轉(zhuǎn)效應，提高了結(jié)構的抗倒塌能力。

(2) 根據(jù)第一強度理論，推導出了砌體結(jié)構開裂時的層間位移角限值公式； 由該公式可知，層高一定時，砌體墻片的剛度越大，其延性越差。同時，通過對比各種砌體材料的本構關系，推薦了一種用于模擬燒結(jié)粘土磚的本構關系模型，并采用該本構關系對北川縣電信局職工住宅樓進行了非線性地震反應分析計算。通過計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構的薄弱方向是縱向，在Ⅸ度大震時結(jié)構處于嚴重破壞狀態(tài)。同時，根據(jù)層間位移的計算結(jié)果，建議砌體結(jié)構的彈塑性層間位移角限值取1/160，該值與后續(xù)砌體墻片的擬靜力試驗結(jié)果一致。通過對比結(jié)構的非線性地震反應計算可知，底層的 “翼墻” 及門洞兩側(cè)加強構造柱的設置，可使整體結(jié)構的抗震能力相對于無該構造措施的結(jié)構提高0.5度左右。

(3) 采用預應力加載裝置，實現(xiàn)了與原型結(jié)構軸壓比相等的模型振動臺試驗。試驗結(jié)果表明，該預應力加載裝置對模型振動臺試驗是可行且有效的，該裝置為今后振動臺試驗中模型人工質(zhì)量的施加提供了一條新途徑。

(4) 通過4個單層模型的振動臺倒塌對比試驗，獲得了底商砌體結(jié)構地震時的倒塌破壞模式。試驗表明，同一方向上各道墻體的剛度不協(xié)調(diào)造成地震中各道墻體被逐個擊破，是砌體結(jié)構破壞或倒塌的主要模式。故在砌體結(jié)構設計時，按照剛度設計方法，保證結(jié)構層間同方向各墻體的抗側(cè)剛度基本相等是非常重要的。同時，試驗驗證了臨街面縱墻中 “翼墻” 及門洞兩側(cè)通層加強構造柱的設置能有效提高臨街面縱墻的抗側(cè)剛度，縮小與其他縱墻抗側(cè)剛度的差異，使地震剪力在各縱墻的分配趨于均勻，顯著提高了砌體結(jié)構的抗倒塌能力，并且試驗結(jié)果表明，砌體結(jié)構是有一定延性的。

(5) 為了使砌體結(jié)構的剛度設計方法有據(jù)可依，本文對現(xiàn)有的砌體墻片層間等效抗側(cè)剛度公式進行了深入分析，指出了現(xiàn)有方法的缺陷，并在此基礎上，提出了考慮圈梁、構造柱影響的砌體墻片層間等效抗側(cè)剛度計算公式。并通過4組12片砌體墻片的擬靜力試驗驗證了公式的合理性； 通過該公式計算，可以保證砌體結(jié)構同一方向上各道墻體的抗側(cè)剛度相等。文中通過20片砌體墻片的數(shù)值模擬可知，圈梁截面高度對墻片抗側(cè)剛度影響微小，墻片抗側(cè)剛度計算時可不考慮圈梁的作用； 通過對32片砌體墻片的64種工況的數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，中間構造柱的間距(最大不超過4.2 m)對墻片抗側(cè)剛度影響不明顯，本文認為墻片抗側(cè)剛度計算時不考慮構造柱間距的影響； 構造柱截面的折算采用公式A1=A2+ηcEc/E計算，折算截面均采用矩形，且計算時應考慮構造柱位置不同對構造柱參與系數(shù)ηc的影響； 通過對307片砌體墻片的數(shù)值模擬結(jié)果分析，擬合得到了考慮構造柱位置影響的構造柱參與系數(shù)ηc的合理取值； 墻片抗側(cè)剛度計算時，盡量選取整體墻片作為計算對象，不區(qū)分大、小開洞墻片，所有墻片統(tǒng)一按洞口劃分，劃分后的墻段抗側(cè)剛度按照文中建議的公式計算，整體墻片的抗側(cè)剛度通過各墻段剛度疊加得到。

關鍵詞砌體結(jié)構； 振動臺試驗； 倒塌； 汶川地震； Abaqus