砌体结构房屋加固足尺实验模型数值模拟

2011-09-07閤东东苗启松李文峰

土木工程与管理学报 2011年3期

閤东东，陈曦，苗启松，李文峰

(北京市建筑设计研究院，北京 100045)

我国是世界上地震灾害最严重的国家之一。2008年的汶川地震造成直接经济损失8451.4亿元，死亡8.7万多人，未经抗震设防的多层砌体结构房屋震害相当严重［1～3］。

北京市处于华北地震带上，历史上在北京地区及其附近曾多次发生过地震，北京地区上世纪七、八十年代的住宅建筑多采用北京市建筑设计研究院编制的73年乙系列住宅标准图以及76年1系列住宅标准图，后者标准图如图1所示。该类型建筑多为典型的多层单元式砌体结构住宅，没有设置圈梁和构造柱。这些建筑难以抵御6级以上的破坏性地震，已成为首都防震减灾工程中的薄弱环节，必须逐步予以解决。

图1 北京市76年1类住宅示意图

据估计，北京地区约有7000万m2的砖混结构房屋，由于受当时的社会经济制约，其抗震设防水平较低。且至今已使用了30余年，结构材料已经老化，整体抗震性能较差，多数建筑未进行过抗震加固。建筑外饰材料脱落，部分构件已经毁坏，有些建筑甚至破旧不堪;多数建筑未进行过节能改造，居住舒适性较差，能源消耗量大。由于地震发生的不确定性和突发性，为了减少可能的地震对城市造成破坏，需要对既有的抗震能力较低的建筑进行逐批加固，逐步提高其抗震设防水平，提高首都的整体抗震防灾能力。鉴于北京地区该类建筑量大面广，要对如此众多的建筑进行加固，如采用传统的混凝土板墙加固，存在如下问题:

(1)传统加固方法需要入户施工，居民需搬迁。政府难以安排大量周转房来解决加固房屋居民的周转问题。同时周转的组织和实施的难度也十分困难。传统加固方法施工周期长，一般加固方法施工周期约需要4 ～6 个月［4，5］。

(2)传统加固方法需要较大的施工场地，多为现场浇筑或喷射混凝土施工［5］，施工现场质量控制难度大，喷射混凝土反弹量大，浪费较大，扰民严重，对周围环境影响较大。

唐山地震后采用应急加固方法(捆绑式)抗震加固效果无法满足当前要求，且外观难看。因此要在几年内解决首都老旧房屋的抗震加固问题，必须研究一种加固技术解决上述几个难题，并同时解决节能保温和外立面改造。北京市建筑设计研究院提出一种基于装配式技术的加固体系，该技术采用工业化生产技术，大部分制品由工厂生产，现场安装，湿作业少，施工周期快，对周围居民干扰小，对环境影响小;结构加固体系对住户干扰小，入户工作量很少，居民不必搬出，解决居民搬迁周转问题;保温节能及外立面装饰改造一体化解决，房屋安全、居民居住条件、社区环境一并改善;综合造价低，经济性好。

采用外套预制装配式结构加固无圈梁和构造柱的砌体结构，利用外加预制钢筋混凝土墙承担大部分的地震作用［6～8］，结构型式从单纯的砌体结构改变为混凝土-砌体混合结构。由于与传统的普通单、双面板墙加固方法有很大不同，且原砌体结构无圈梁与构造柱，因此，需要对加固后的混合结构和原砌体结构的抗震性能进行评估。北京市建筑设计研究院设计了5层外套预制结构加固的砌体结构模型，并委托中国地震局工程力学研究所开展混合结构的拟静力和拟动力试验，但该试验仅能直观考察混合结构的抗震性能，对砌体结构的抗震性能无法评估，由于实验需要高昂的费用，再做一个未加固的砌体结构抗震性能试验存在困难，也是不必要的。本文通过ABAQUS软件分析对该足尺试验模型进行了数值模拟研究，对原砌体结构和混合结构的地震作用进行了分析，为这类砌体结构的加固提供一些设计参考。

1 模型概况

以图1所示的76年1系列住宅标准图设计原始模型，取其中典型的两个开间作为试验单元，按照1∶1的比例进行设计。为了考察扭转成分对加固结构的不利影响，试验单元采用反对称设计。试验模型长9.48 m，宽6.24 m，高14.20 m(不含地梁高度)，共5层。结构首层至4层楼板采用120 mm厚预制混凝土空心板，五层采用200 mm厚预制混凝土空心板，板间缝隙用C30细石混凝土填实。足尺实验模型的平面图和侧立面图分别如图2和图3所示。模型的抗震构造措施与原有建筑相同:一、三层采用配筋砖圈梁，五层采用现浇圈梁形式。模型设计中涉及到的砖砌体、混凝土以及砂浆的设计强度按照检测结果确定，各层砖砌体设计强度等级均为MU10，第一层，二、三层，四、五层砂浆的设计强度分别为M2.5、M1.8和 M1.0。模型中所用纵向钢筋为HRB335，箍筋为HPB235，钢材为Q235B。模型三维效果如图4所示，该模型加固细部构造如图5所示。

图2 足尺试验模型平面图

图3 足尺试验模型侧立面图

图4 加固后模型三维效果图

图5 模型加固细部构造图

2 模型建立

2.1 材料本构模型

钢材本构模型采用随动硬化模型，可以考虑包辛格效应。ABAQUS中损伤塑性模型(Damaged Plasticity Model)可考虑混凝土材料拉压强度的差异，刚度、强度的退化。混凝土材料进入塑性状态时伴随着刚度的降低，刚度损伤可以通过受拉损伤参数和受压损伤参数来表达，适用于模拟循环荷载、动态荷载及考虑应变率影响时的结构或构件。由于砌体结构中砌体和砂浆均属于非线性材料，且两者力学性能的差异性较大，两者之间的相互作用也较为复杂，该模型将砂浆和砌块作为一个整体考虑，不考虑砂浆和砌体之间的相互作用，也采用损伤塑性模型。

2.2 单元类型

壳单元主要用于模拟那些厚度方向尺寸远小于另外两维尺寸，且垂直于厚度方向的应力可以忽略的结构。ABAQUS/Standard中，一般的三维壳单元有三种单元列式:一般壳单元、薄壳单元和厚壳单元。对于壳单元来说，其每个单元节点上有6个自由度，包括3个平动自由度和三个转动自由度。当一个薄壁构件的厚度小于整体结构尺寸时(一般小于1/10)，并且厚度方向的应力可以忽略时，ABAQUS建议用壳单元模拟构件。

砌体采用厚壳单元模拟。将钢筋和混凝土作为一个整体考虑，即视为连续均匀材料，采用厚壳单元模拟，楼板和剪力墙中钢筋对于结构的贡献通过Rebar Layer来实现。Rebar layer法是将钢筋以钢筋层的形式引入到实体单元中，钢筋层通过三维壳单元或者膜单元模拟，通过材料属性(Property)定义将钢筋层的力学特性赋予这个壳单元或者膜单元，从而完成对混凝土内钢筋的定义。分层壳单元根据复合材料原理将壳分成多层，可考虑面内弯曲-面内剪切-面外弯曲之间的耦合作用，能够较全面地反映壳体结构的空间力学性能［9，10］。这里采用分层壳单元模拟砌体结构外纵墙与外贴混凝土墙片的力学性能。

2.3 有限元模型建立

采用有限元分析软件ABAQUS进行建模时，该配重质量只能通过Load的形式施加在结构各层楼面上。地震作用时，这部分质量并未参与结构的动力响应计算，而只以竖向力的形式出现，与真实情况不相符合。本文采用结构设计软件SAP2000建立足尺试验模型，在SAP Mass Source选项中，定义质量来源于Element and Additional Mass and Loads，划分好网格后，将SAP2000 V14中模态分析后的mdb文件生成inp文件，进行动力分析。导入ABAQUS后的模型结构的质量被完全赋予了单元的各个节点，因此，在ABAQUS中无需再对结构赋予重力，直接进行地震响应分析即可。有限元模型如图6所示，X方向代表纵墙方向，Y方向代表横墙方向，采用Rayleigh阻尼模型，结构第一、二阶阻尼比取0.05，试验振动测试和数值模拟得到的结构频率如表1所示，从表中可以看出，除未加固时纵墙方向的数值模拟和振动测试频率差异较大之外，其他几种情况得到的频率差异较小，说明数值模拟具有一定的参考意义。

图6 模型三维有限元模型

表1 结构自振频率数值模拟结果

3 计算结果及分析

拟动力试验时采用的地震波为El Centro波，其前15 s的加速度曲线如图7所示，地震波峰值加速度调幅到0.15g，采用隐式算法进行动力分析。图8与图9分别给出了砌体结构横墙和纵墙方向的基底剪力时程曲线。加固后砌体结构所承担的基底剪力大大减小，加固前砌体横墙基底剪力为627762 N，加固后减小到278595 N，纵墙基底剪力从加固前的314138N减小到加固后的110179 N。图10和图11分别给出了结构横墙方向和纵墙方向的层间位移比较曲线，从图中可以看出加固后砌体结构的层间位移大大减小。对于加固前后的结构底层层间位移，横墙方向由4.5 mm减小到0.78 mm，纵墙方向由9.3 mm减小至2.3 mm。

图7 El Centro波加速度时程曲线

图8 砌体结构横墙方向的基底剪力时程曲线

图9 砌体结构纵墙方向的基底剪力时程曲线

图10 横墙方向的层间位移

图11 纵墙方向的层间位移

图12和图13分别给出了加固后结构横墙和纵墙方向的基底剪力时程曲线，从图中可以看出，外加混凝土剪力墙片承担了大部分基底剪力，起到了较好的加固效果。由于砌体结构抗拉强度极低，但其与外加混凝土预制墙片组成组合构件，其抗压强度可以得到一定的发挥，但其延性需要专门研究。横墙方向的墙片可以看做纵墙外贴混凝土墙片的翼缘，增大了外贴墙片的刚度，导致纵墙方向的地震剪力主要由外套剪力墙承担。