底商多层砌体结构抗倒塌机理研究

刘红彪

(中国地震局工程力学研究所，哈尔滨 150080)

结构倒塌是地震造成人员伤亡最主要的原因，汶川地震中，底商多层砌体结构房屋倒塌普遍，在北川县城，该类型结构倒塌率达80%。底商多层砌体结构房屋在我国长江以南地区的中小城市非常普遍，据不完全统计，我国现存该类型的房屋约2 000万栋，涉及居住人口1.2亿。研究该类型结构的抗震设计方法，提高该类型结构房屋的抗倒塌能力是社会的迫切需求。

北川县电信局职工住宅楼是典型的底商多层砌体结构，在汶川地震中仅中等破坏。本文结合该典型实例，通过对比分析获取了能有效提高底商多层砌体结构抗倒塌能力的抗震构造措施，并通过振动台倒塌对比试验验证了该构造措施的有效性； 同时，获得了砌体结构的倒塌破坏模式，并据此提出底商多层砌体结构以刚度匹配原则设计的抗震设计理念。本文主要工作如下：

(1) 通过实地科考，掌握了北川县电信局职工住宅楼破坏状态，并采用脉动法对该结构进行了模态测试，获得了结构横向和纵向的一阶固有频率和扭转频率，分别为3.45 Hz、3.65 Hz和4.05 Hz。通过对比分析可知，此结构的层数、高度、高宽比、结构的局部尺寸以及构造柱和圈梁的配筋状况均满足规范规定的Ⅶ度抗震设防要求； 结构的抗震横墙间距以及圈梁的设置位置均满足Ⅸ度抗震设防要求。通过分析该住宅楼的设计方案可知，该结构最突出的设计特点是底层临街面纵墙门洞两侧均设置了 “翼墙” 和通层加强构造柱，这种设置形成了纵横墙交接处的构造柱两侧或单侧伸出一段由构造柱包裹的墙体，该构造措施有效增加了结构底层临街面纵墙的抗侧刚度，减小了底层前后纵墙的刚度差，减轻了结构的扭转效应，提高了结构的抗倒塌能力。

(2) 根据第一强度理论，推导出了砌体结构开裂时的层间位移角限值公式； 由该公式可知，层高一定时，砌体墙片的刚度越大，其延性越差。同时，通过对比各种砌体材料的本构关系，推荐了一种用于模拟烧结粘土砖的本构关系模型，并采用该本构关系对北川县电信局职工住宅楼进行了非线性地震反应分析计算。通过计算，发现结构的薄弱方向是纵向，在Ⅸ度大震时结构处于严重破坏状态。同时，根据层间位移的计算结果，建议砌体结构的弹塑性层间位移角限值取1/160，该值与后续砌体墙片的拟静力试验结果一致。通过对比结构的非线性地震反应计算可知，底层的 “翼墙” 及门洞两侧加强构造柱的设置，可使整体结构的抗震能力相对于无该构造措施的结构提高0.5度左右。

(3) 采用预应力加载装置，实现了与原型结构轴压比相等的模型振动台试验。试验结果表明，该预应力加载装置对模型振动台试验是可行且有效的，该装置为今后振动台试验中模型人工质量的施加提供了一条新途径。

(4) 通过4个单层模型的振动台倒塌对比试验，获得了底商砌体结构地震时的倒塌破坏模式。试验表明，同一方向上各道墙体的刚度不协调造成地震中各道墙体被逐个击破，是砌体结构破坏或倒塌的主要模式。故在砌体结构设计时，按照刚度设计方法，保证结构层间同方向各墙体的抗侧刚度基本相等是非常重要的。同时，试验验证了临街面纵墙中 “翼墙” 及门洞两侧通层加强构造柱的设置能有效提高临街面纵墙的抗侧刚度，缩小与其他纵墙抗侧刚度的差异，使地震剪力在各纵墙的分配趋于均匀，显著提高了砌体结构的抗倒塌能力，并且试验结果表明，砌体结构是有一定延性的。

(5) 为了使砌体结构的刚度设计方法有据可依，本文对现有的砌体墙片层间等效抗侧刚度公式进行了深入分析，指出了现有方法的缺陷，并在此基础上，提出了考虑圈梁、构造柱影响的砌体墙片层间等效抗侧刚度计算公式。并通过4组12片砌体墙片的拟静力试验验证了公式的合理性； 通过该公式计算，可以保证砌体结构同一方向上各道墙体的抗侧刚度相等。文中通过20片砌体墙片的数值模拟可知，圈梁截面高度对墙片抗侧刚度影响微小，墙片抗侧刚度计算时可不考虑圈梁的作用； 通过对32片砌体墙片的64种工况的数值模拟结果分析可知，中间构造柱的间距(最大不超过4.2 m)对墙片抗侧刚度影响不明显，本文认为墙片抗侧刚度计算时不考虑构造柱间距的影响； 构造柱截面的折算采用公式A1=A2+ηcEc/E计算，折算截面均采用矩形，且计算时应考虑构造柱位置不同对构造柱参与系数ηc的影响； 通过对307片砌体墙片的数值模拟结果分析，拟合得到了考虑构造柱位置影响的构造柱参与系数ηc的合理取值； 墙片抗侧刚度计算时，尽量选取整体墙片作为计算对象，不区分大、小开洞墙片，所有墙片统一按洞口划分，划分后的墙段抗侧刚度按照文中建议的公式计算，整体墙片的抗侧刚度通过各墙段刚度叠加得到。

关键词砌体结构； 振动台试验； 倒塌； 汶川地震； Abaqus