农村砌体房屋抗震性能振动台试验研究

2021-05-17昆明市公路工程质量检测中心有限公司田亚洪云南省建筑科学研究院谭晓晶

中国建设信息化 2021年8期

文｜昆明市公路工程质量检测中心有限公司田亚洪；云南省建筑科学研究院谭晓晶

引言

近年来，我国地震频繁，如汶川地震、玉树地震、鲁甸地震、芦山地震、雅安地震等，给人们造成了巨大的人员伤亡和经济财产损失。而这些地震造成的建筑破坏多发生在农村地区。由于建造成本低廉，施工便捷，砌体结构成为农村地区一个量大面广的建筑结构形式。但砌体材料呈脆性，且强度低，在外力作用下容易开裂；同时，农村房屋多由农民自行建造，缺乏结构抗震设计和构造，因而也容易在地震中遭受破坏。

针对农村房屋抗震性能研究，梁建国等人提出了满足一定材料和构造要求的免于计算的、适用于底层砖砌体住宅的简化设计方法。该方法对农房建造具有一定的指导意义，但缺乏抗震效果的试验验证。安晓文等人分析了鲁甸地震中多层砌体结构、简易民居的典型震害，仅给出了相应的建议，并未对结构抗震设计和抗震构造做深入分析研究。李龙师采用Abaqus 有限元软件对农村砌体房屋进行抗震性能研究，并对其震害进行预测，用以指导农村防灾减灾。江道镨分析了福建省农村石砌体结构的抗震性能，提出了抗震加固措施，但其抗震措施的有效性仍需试验验证。本文通过对农村地区砖砌体房屋的现场调查，设计制作了一个1/2 缩尺结构模型进行振动台试验，旨在对该地区典型砌体结构房屋的抗震性能进行研究，以提出相应提高其抗震性能的改进措施，为农村房屋建设提供参考。

图1 粉质砂土砌筑泥浆

1 试验概况

1.1 砌筑材料

考虑到农村房屋多以底层建筑为主，其结构形式简单，建材强度通常比较低。为保证试验具有一定代表性，试验用砌筑材料采用烧结普通粘土砖，强度等级为MU7.5；粘结材料采用粉质砂土泥浆。由于地域经济发展的差异，一些偏远落后地区建房采用了低成本、不掺水泥和细骨料的泥浆作为粘结材料（图1所示）。经过测试，该粉质砂土泥浆抗压强度约为1MPa。

1.2 模型制作

试验模型为单层单开间结构，屋盖为木屋架和彩钢板的坡屋面，采用硬山搁檩形式。按照文献，模型设置了圈梁。模型结构的几何相似比为1/2，具体尺寸如图2所示。

图2 试验结构模型尺寸图

表1 试验结构模型相似比

1.3 试验相似比

计算得到结构的试验相似比如表1所示。为了满足试验应力相似比要求，试验模型上布置配重块，配重块质量共计1.25t。

1.4 测点布设

试验模型的振动反应采用加速度传感器和位移传感器来测试。由于地震波的加载方向为结构的纵向，加速度传感器和位移传感器均布置在结构轴横墙上。其中，在①轴横墙中线不同标高处共布设5 个加速度传感器，在轴和轴上下圈梁处分别布设4 个位置位移传感器，在①轴山尖墙顶部布置了1 个位移传感器，以测量结构的层间位移变化和扭转情况。各测点的布置如图3所示。

1.5 加载制度

试验加载激励分别采用El-Centro（NS,1940）、Taft（N-S,1952）和一条二类场地人工地震动记录，并采用正弦扫频进行结构的动力特性测试。每试验工况后均进行结构的动力特性测试，以验证结构刚度衰减情况。试验共有分9 个工况，即把地震动峰值加速度依次调整为70gal、200gal、440gal、700gal、800gal、900gal、1000gal、1100gal、1240gal。

图3 测点布置图

图4 试验结构破坏图

图5 各测点在不同地震动激励下的加速度峰值反应

2 试验结果与分析

2.1 结构破坏形态

当地震动峰值加速度为70gal 和200gal时，结构基本处于弹性状态，墙体没有出现裂缝。地震动峰值加速度为440gal 时，结构的②轴山尖墙与圈梁连接处出现1 条水平向主裂缝，而当地震动峰值加速度增大到700gal 时，①轴和②轴山尖墙与圈梁连接处均出现水平裂缝，并且原有水平裂缝扩展延长至整个横墙墙体；轴和轴纵墙的门窗洞口的角部出现沿灰缝呈阶梯状的斜裂缝。当地震动峰值加速度增加到800gal 和900gal 时，两山尖墙晃动加剧，山尖墙与圈梁之间产生滑移，砂浆压酥，砖块掉落，两纵墙门窗洞口的角部斜裂缝继续扩展延伸。地震动峰值加速度为1000gal和1100gal 时，两山尖墙与下部横墙墙体产生相对晃动，两纵墙的门窗洞口角部斜裂缝继续扩展并延伸至横墙。地震动峰值加速度为1240gal 时，纵墙裂缝宽度扩展最大，结构的最终破坏如图4所示。

2.2 结构加速度反应

试验模型在不同地震动激励下的加速度反应如图5所示。可以看出，测点3 的加速度反应比其他测点的反应都大。沿墙体高度，加速度反应逐渐增大，墙体中部的加速度反应是最大的，而到达墙体顶部加速度又减小。

2.3 结构位移反应

从试验结果来看，随着地震动峰值加速度增大，试验模型的位移反应也趋大。其中，测点S5的位移反应最大，表明该部位的山尖墙晃动较为明显。从表2可以看出，试验加载到工况4 时，山尖墙由于晃动过大而坍塌。这是由于山尖墙顶部仅有檩条搭接连接，而檩条无法起到有效侧向支撑作用，故而由于位移过大导致破坏。因此在实际工程中，檩条与墙体的可靠连接是提高墙体稳定的重要环节。

从表2、表3和表4结果对比来看，在相同地震动峰值加速度工况时，试验模型在人工地震动激励下的位移反应最大，在Taft 地震动激励的位移反应次之，在El-Centro 地震动激励下的位移反应最小。在不同地震动激励下，结构位移反应出现明显差异，这跟结构的动力特性与地震动特性有关。频谱特性与结构动力特性接近的地震动，造成的结构作用效应越显著。