村镇建筑砌体结构的动力特性分析

吴 韬, 王 浩, 易苗苗, 蒋 敏, 王艳华

(1.安徽新华学院土木与环境工程学院,安徽 合肥 230088; 2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000；3.蚌埠玻璃工业设计研究院,安徽 蚌埠 233018)

村镇建筑砌体结构的动力特性分析

吴 韬1, 王 浩2, 易苗苗1, 蒋 敏3, 王艳华1

(1.安徽新华学院土木与环境工程学院,安徽 合肥 230088; 2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司,安徽 马鞍山 243000；3.蚌埠玻璃工业设计研究院,安徽 蚌埠 233018)

为探讨村镇建筑中低层砌体结构的动力特性与振动机理,基于农居调查实测的布置及材料性能数据,在ABAQUS软件中建立考虑结构布置、材料强度及有限元网格控制等参数的7个有限元模型方案,对各模型进行结构动力特性分析,并对比分析其振动形态、振型分量及振型周期。分析表明,村镇建筑中按常规布置的砌体结构,其振动特性不利于结构抗震；砌体材料性能劣化在降低结构承载能力的同时还会放大高阶面外振动分量的地震作用,加剧承重墙在地震中发生外闪倒塌的机率；如采取措施实现结构的基本振型为沿横向平动,则其振动特性表明横墙的承重与抗侧能力均可有效发挥,且面外振动的高阶振型被抑制,提高了结构抗震能力；此外,本文还提出ABAQUS对壳单元沿厚度方向的网格控制要求。

村镇建筑; 砌体结构; 动力特性; ABAQUS

0 引言

近年来历次大震均发生在农村地区,如2008年汶川大地震、2010年玉树地震、2013年芦山地震、2013年岷县漳县地震、2014年鲁甸地震等,均造成了严重的人员伤亡和经济损失。震害调查及农居抗震现状调查表明[1-3],我国农村民居的地震安全问题与城市建筑相比,具有如下显著特征:(1)农村地区防灾减灾意识淡薄,农居几乎处于完全不设防状态；(2)部分在役农居由于选址、建造、材料等诸多因素存在明显损伤,严重削弱了结构的承载能力；(3)震中地区农居损毁严重,非极震区小震成灾甚至小震大灾现象普遍。尤其值得关注的是,目前我国地震带多处于活跃期[4],破坏性地震渐呈高频多发趋势,研究并有效解决农居的地震安全问题已显得尤为迫切和重要。根据调查显示,我国村镇建筑的结构形式中砌体结构占到60%以上[5],但针对砌体结构的抗震性能研究报道并不多[6-7],尤其是村镇建筑中量大面广的低层砌体结构,其自振特性包含了一定程度面外振型,但其振动机理及影响因素尚未进行深入研究。

安徽省农居抗震研究有其独特的地质构造背景,著名的郯庐断裂带斜贯全省,一直是地震危险重点监视区[8]。此外安徽省还隶属于扬州-铜陵地震带、麻城—常德地震带、许昌—淮南地震带。近几年中小震频发,并多次致灾,其抗震设防工作严峻。安徽省高校优秀青年人才基金重点项目“郯庐断裂带安徽区段农居的地震安全性能研究”的调查结果表明,随着地震安全农居工程的逐步推进,低层砌体结构地震安全性能将成为该区域农村地区抗震设防工作的重心之一。本文根据课题组现场实测的结构布置及建筑材料性能数据,设计安徽村镇典型农居的基本结构方案,并在ABAQUS软件中扩展建立多个有限元模型,分析结构参数及有限元控制方法对结构动力特性的影响,据此提出农居结构的合理布置及参数方案,以期为后续科研或加固改造方案及制定相关村镇建筑抗震设防标准提供参考依据。

1 砌体结构分析模型

1.1 结构方案

根据课题组前期调查结果表明,安徽村镇建筑的结构形式主要为砌体结构(调查中砖混结构和砖木结构占总数的89%)。典型农居的主要平面布置如图1所示,纵墙和内横墙上一般布置有门、窗洞。

图1 模型平面布置(单位:mm)Fig.1 Model plane layout (Unit:mm)

本文采用两开间方案建立分析模型,平面布置及墙体尺寸如图1(a)所示,共2层,层高根据调查结果取统计平均值3.6 m。实地调查发现圈梁构造柱等抗震构造措施的设置一般未经专业考虑及规范设置,存在诸多不合理之处,如图2所示。为简化分析,基本结构方案不考虑圈梁构造柱的作用,且楼梯采用外置分离式方案。模型中墙体为实心砖墙,材料选用普通烧结砖,内、外墙厚度均为240 mm。被调查地区农居的楼屋盖一般采用预制空心板及后浇混凝土,预制板厚度主要有120 mm和150 mm两种,混凝土后浇层厚度约30～50 mm。考虑楼板空心的影响,本文楼屋盖均采用经折算后的120 mm厚实心板。模型中材料性能参数采用先期实地检测时获取的样本数据(样本农居的统计平均建造时间为2002年),其中砂浆采用贯入法检测,强度值相当于M3.0;烧结砖采用回弹法检测,强度值相当于MU10;楼板混凝土采用回弹法检测,强度值相当于C20。

图2 抗震构造措施不合理Fig.2 The unreasonable details of seismic design

1.2 有限元模型

鉴于有限元分析软件ABAQUS对非线性分析具有良好的收敛性,为课题组开展强震下村镇建筑的弹塑性动力分析奠定基础。本文采用ABAQUS软件在典型农居基本结构方案基础上扩展建立多个有限元分析模型。

由于砌体构件是由砌块和砂浆组合而成的二相性复合构件,因此根据分析目的一般有两种建模处理方式,即分离式建模和整体连续建模[9]。分离式建模是分别建立砂浆和砌块的模型,然后将砂浆和砌块接触面的所有节点耦合(不考虑两者间的粘结滑移),或者将砂浆与砌块通过接触单元或非线性弹簧连接(考虑两者间的粘结滑移),该方法能较好地模拟砌块与砂浆之间的作用及砌体构件的破坏机理,但建模繁琐,且计算量大,一般较适用于模拟试验砌体构件的破坏行为。整体连续建模是假定砌体构件由一种均匀的连续性材料组成,即砌体构件的工作特性与破坏形式可采用这种匀质化新材料的性能参数进行等效表征。整体连续模型虽然对于砌体构件的微观性态模拟及失效机理分析显得不足,但在模拟砌体结构时能有效表征结构的宏观反应,且建模快捷、计算量小。考虑本文主要研究典型砌体结构方案的整体动力特性,结合课题研究目的,对砌体采用整体连续方式建模。

模型中墙体和楼(屋)面板均采用三维减缩积分实体单元(C3D8R),墙体与楼板的界面近似按绑定约束处理,单元网格划分时将实体单元尽量划分为六面体。基本砌体结构方案的三维有限元模型见图3所示。结合实地调查、材料性能检测及有限元软件特点,共建立了3组有限元对比模型。具体模型方案及参数见表1,其中开间均取3.6 m,砌体弹性模量根据文献[10]提出的方法计算。

图3 有限元三维模型Fig.3 Finite element 3D model

模型方案平面纵横比墙体材料强度等级墙体单元厚度/mm基本结构1．5MU10砌块、M3．0砂浆120M1-12MU10砌块、M3．0砂浆120M1-21MU10砌块、M3．0砂浆120M2-11．5MU15砌块、M5．0砂浆120M2-21．5MU7．5砌块、M1．5砂浆120M3-11．5MU10砌块、M3．0砂浆60M3-21．5MU10砌块、M3．0砂浆240

2 动力特性分析

采用子空间迭代算法提取各模型方案的振型、周期及参与因子,参照经验公式[11]计算砌体结构基本周期:T1=0.016 8(H0+1.2)=0.141 s,其中H0为砌体结构高度。除M3-2外,各模型的基本周期均接近经验周期值,且与文献[12]中类似结构实测频率接近,说明模型具有可信度。

表2给出了各模型方案的前3阶振动形态。限于篇幅,本文只给出了基本结构模型(图4)和M3-2模型方案(图5)的前3阶振型图,以及各模型方案中起控制的高阶振型图(图6)。各模型在基本振型对应方向的前10阶振型参与因子分布见图7所示。表3给出了各模型的前10阶振型周期。前文所述模型参数(平面纵横比、材料强度、墙元厚度)与周期关系对比见图8。

2.1 振动形态

表2中有两个模型的振动形态与其他模型有别,值得关注:(1)M1-1模型第1阶振型(基本振型)为Y向平动；(2)M3-2模型前3阶振动形态不是整体振动。

村镇建筑中的低层砌体结构常规采用横墙承重,而门窗洞口主要沿纵墙布设,且结构并未进行必要的抗震概念设计,因此其基本振型一般沿纵向(X向)平动,如表2、图4所示。地震中纵墙洞口位置往往由于应力集中而首先破坏,而横墙受平面外位移控制,其承载能力和抗侧能力均被明显削弱,加剧了抗侧力构件的破坏程度。如楼盖采用预制板,由于横墙的面外位移极易发生锚固失效而跌落垮塌。因此由M1-1的振动形态可得出如下抗震启示:采取措施调整结构在不同方向上的抗侧刚度分布,使得横向刚度小于纵向刚度,将有效解决上述结构常规布置时所存在的振动不合理问题,并发挥横墙的面内抗侧移作用,即通过改变结构的振动形态和破坏机制来改善结构的抗震性能。

表2 各模型前三阶振型形态

图4 基本结构模型前3阶振型Fig.4 The first three vibration modes of basic structure model

图5 M3-2模型前3阶振型Fig.5 The first three vibration modes of M3-2 model

图6 各模型起控制作用的高阶振型图 (注：不含M3-2模型)Fig.6 The controlling high-order vibration mode of models (Note:exclusive of M3-2 model)

图7 各模型振型参与因子分布图 (注：不含M3-2模型)Fig.7 The distribution of mode participation factor of models (Note:exclusive of M3-2 model)

振型基本结构M1-1M1-2M2-1M2-2M3-1M3-210．1560．1710．1710．1190．1710．1550．43420．1350．1400．1190．1040．1490．1350．43230．0890．0940．0900．0680．0970．0880．43240．0740．0590．0840．0620．0790．0690．43050．0720．0560．0810．0600．0770．0670．40160．0650．0540．0720．0540．0710．0620．39970．0630．0540．0690．0520．0680．0600．31680．0630．0510．0680．0510．0680．0590．31690．0590．0500．0650．0470．0640．0550．294100．0560．0500．0580．0470．0610．0540．293

图8 各模型参数对应的周期对比(注：不含M3-2模型)Fig.8 The periods comparison corresponding to each parameter

由于ABAQUS软件对墙元在厚度方向不划分单元,M3-2模型计算结果中低阶振型表现为沿墙厚方向振荡,其振型云图见图5所示。该振动形态与实际结构不符,且其振型周期和振型参与因子分布也出现了显著异常现象,因此判定M3-2模型为无效模型。在模型调试阶段还发现,当对楼板在板厚方向不划分单元时,也出现了上述板厚方向的振荡,说明ABAQUS软件在前处理模块中对平面构件沿厚度方向应至少划分2个单元,否则将出现异常振型和不合理的计算结果。

2.2 振型分量

由图7中振型参与因子分布可知,各有效模型的动力特性均由基本振型和某高阶振型控制,该高阶振型的振型参与因子与基本振型不相上下。由图6可知,除M1-1外其他模型的高阶振型均为墙体面外振动,这就解释了历次地震中承重墙易发生外闪倒塌[1]的振动机理。而M1-1的高阶振动形态主要是走廊悬挑板竖向振动和主体结构沿横向(Y向)二次平动,表明当结构的基本振型沿横向平动时,其高阶控制振型可转换成整体振动,其动力特性显然优于墙体的面外振动。且通过图6还可发现,开洞墙体的面外振动峰值得到了一定程度的抑制。因此,为改善村镇建筑的动力特性,提高其抗震性能,结合前述基本振型的启示,在控制基本振型为横向平动的前提下可对承重墙体进行分段处理,即在端部设置加强区、中部按照填充墙构造技术处理,形成联肢抗震横墙,以降低结构的高阶面外局部振型分量,进而有效解决墙体外闪倒塌的震害。

2.3 振型周期

从表3和图8(b)可以发现,随着材料强度降低,各阶振型周期按照M2-2、基本结构、M2-1顺序依次降低,规律明显。结合课题组的实地检测与调查,表明材料实测强度与农居建造年代呈现出较强的相关性,且起控制的高阶面外振动分量随房屋年龄的增加而被放大。因此对于没有规范管理的建筑材料或未做抹灰层保护的墙体,其材料性能劣化问题是村镇建筑抗震不容忽视的因素。

由图8(a)可知,平面纵横比对应的周期在低阶时无明显规律,但在第4阶及以上的各阶振型中,M1-1模型的周期均小于基本结构和M1-2模型,表明当基本振型沿横向振动时会进一步降低高阶控制振型的地震作用。

由图8(c)可知,沿厚度方向划分2个单元(基本结构)和4个单元(M3-1),其振型周期计算结果基本一致。考虑研究目标和任务,本课题对各模型在壳单元沿厚度方向划分2个单元,可满足计算精度要求,同时能明显提高计算效率。

3 结论

本文基于有限元软件ABAQUS探讨村镇建筑中低层砌体结构的动力特性,通过结构平面纵横比、材料强度及墙厚方向单元数等因素对结构的振动形态、振型分量、振型周期等影响效果进行对比分析,结果表明:

(1) 调查区域中村镇建筑砌体结构按照常规结构布置,其基本振型一般表现为结构沿纵向平动,且墙体面外振动的高阶振型分量不可忽视,往往导致结构在纵墙上洞口位置由于应力集中而遭到破坏,且横墙受到过大的面外位移而提前丧失承载与抗侧移能力,部分墙体中还可能发生外闪倒塌。

(2) 如采取措施(如增大纵横比或采用联肢抗震横墙等)调整结构的抗侧刚度,使得横向刚度小于纵向刚度,实现基本振型沿横向平动,可明显降低墙体面外振型分量,改变结构的振动机理,使其抗震性能得到有效提高。

(3) 村镇建筑经调查与实测表明,由于多种原因其材料强度与建造时间存在明显相关性,材料的劣化会增大高阶振型周期,结构承载能力下降的同时,水平地震作用被放大,地震损伤将相对增加。

(4) 当采用ABAQUS有限元软件建模时,在壳单元的厚度方向应至少划分2个单元,以防止模型出现低阶面外振荡的异常现象。具体单元数可视分析目标而定。

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Dynamic Characteristics of Masonry Structures in Villages and Towns

WU Tao1, WANG Hao2, YI Miao-miao1, JIANG Min3, WANG Yan-hua1

(1.CollegeofCivil&EnvironmentalEngineering,AnhuiXinhuaUniversity,Hefei230088,Anhui,China; 2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.,LTD,Maanshan243000,Anhui,China; 3.BengbuDesign&ResearchInstituteforGlassIndustry,Bengbu233018,Auhui,China)

To research the dynamic characteristics and vibration mechanism of low-story masonry structures in rural buildings, we used ABAQUS to establish seven finite element models based on a survey of rural buildings. In the models, we considered structure layout, strength of the materials, and mesh density. Then, we analyzed the dynamic characteristics of each model and compared their vibration shapes, modal components, and vibration periods. The results show that the vibration characteristics of traditional masonry structures are not conducive to seismic design and that the degradation of materials reduces the bearing capacity of the structures, while at the same time amplifying the seismic action of the wall oscillation component, which increases the probability of outward collapse in earthquake. If the basic vibration type is horizontal along the transverse direction, the seismic capacity of the structure is improved with respect to both the bearing and deformation abilities of load-bearing walls. In addition, we propose ABAQUS mesh requirements for shell elements with respect to thickness.

rural building; masonry structure; dynamic characteristics; ABAQUS

2015-11-25 基金项目:国家自然科学基金(51408179)；安徽省高等学校自然科学研究基金重点项目(KJ2014A099)；安徽省高等学校优秀青年人才基金重点项目(2013SQRL098 ZD)

吴 韬(1982-),男,硕士,讲师,主要从事结构动力分析与工程防灾减灾研究。E-mail:taoxia201@163.com。

TU365

A

1000-0844(2016)06-0877-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0877