砌体结构抗震性能影响因素研究综述

宋传泳 王金男 董彦超 杜长利 王立君

砌体结构与混凝土结构、钢结构作为当今世界三大主流建筑结构类型，与后两者不同，砌体结构的设计初衷就是利用墙体的抗压性能来抵抗外界荷载，一般属于刚性建筑，其建造理念也相对较为简单。所以在古代科学技术并不发达的时候砌体结构得到了广泛的应用。砌体结构作为较为古老的建筑结构体系，至今已有近万年的历史，随着历史的演变，砌体结构也得到了长久的发展。在南宋时期砌体结构得到大量使用。后经社会发展，砌体结构在我国各地得到广泛使用。它的优势在于：第1，造价相对较低：砌体结构所需要的原材料通常比其他结构更为便宜，而且不需要大型机械设备，施工成本也相对较低。第2，耐久性较好：砌体结构所用到的砌块材料具有耐火、耐久特性，并且使用寿命长，几乎不受周围环境的影响。第3，施工过程相对简单：相比其他结构，砌体结构施工主要由人力砌筑，不需要特殊的机械设备，和混凝土施工不同，砌体结构施工不需要支模板。新砌筑的砌体早期就有一定强度，即可承受一定荷载，因而可以连续施工。第4，隔音效果好：由于砌体结构密实且重量较大，因此能够隔音，降低噪声。

同样，它也有一定的缺点：第1，建筑物整体重量较大：砌体结构所用的砖、石等材料比较重，因此建筑整体重量较大，增加了建筑物的自重。第2，施工时间长：由于砌体结构需要一块一块地砌起来，相对其他结构施工时间较长。第3，热传导性较高：砖、石等材料的热传导性能较差，易导致室内温度下降，需要增加保温措施。第4，抗震性能差，如果建筑物所处地区经常发生地震，那么砌体结构可能受到较大影响，出现裂缝和倒塌等情况。

砌体结构的抗震性能一直是被广泛研究的焦点，与其他结构相比，砌体结构的延性低，抗震性能较差，在地震发生时，往往率先发生破坏。

1 砌体结构抗震性能研究

国内学者苏启旺等[1]通过拟静力试验研究结构的受力特点，并通过函数公式计算构造柱的存在对结构延性的影响程度。蒋利学等[2]分析了砌体结构的抗倒塌性能，提出了5 个重要因素—最不利构件的设计强度、抗震措施、过度内力再分配、结构延性和材料强度。杨明飞等[3]以某项目为研究对象，对该项目中的砌体结构建筑进行鉴定与分析，分别检测了构造柱的数量与砌筑砂浆的强度等级。鲁若帆等[4]以构造柱和墙体损坏程度与先后顺序研究砌体结构在地震作用下的结构响应，即当地震程度较小时地震作用由墙体来承担，随着地震强度的增加构造柱逐渐发挥作用。综上，本文选取构造柱数量、砌筑砂浆强度、结构层数以及抗震墙厚度几个影响因素，论述对砌体结构抗震性能的影响。

2 砌体结构抗震性能影响因素

2.1 构造柱数量对砌体结构抗震性能的影响

王骁等[5]采用ABAQUS 软件进行建模分析，地震动采用双向输入，并将峰值地面加速度 （Peak Ground Acceleration ，PGA）调幅为0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40、0.60 及0.80 g进行时程分析。因为砌体结构在震中往往是底层损坏最为严重，又因为砌体结构发生塑性变形后，纵向层间位移远远大于横向，所以以底层纵向层间位移的最大值来代表结构的损伤。

通过时程分析可知，当地震动PGA 在0.05 与0.20 g 之 间 时，各 模型的结构响应相似，层间位移角非常接近，此时各结构处于基本完好或轻度损坏状态[6]。该现象表明当PGA ≤0.20 g 时，构造柱数量的不同对结构抗震性能影响很小，此时并不能体现构造柱对结构抗震性能的加强。当地震动PGA在0.30与0.60 g之间时，构造柱的作用得到很好的体现，即构造柱布置的数量越多层间角位移越小，砌体结构的抗震性能越高。当地震动PGA 为0.80 g 时，所有工况中结构基本倒塌，此时不能明显体现出构造柱对砌体结构抗震性能的加强。

鲁若帆等[4]对3 层和6 层砌体模型进行时程分析，其中3 层的砌体结构无构造柱，6 层的结构按规范设置构造柱。通过控制PGA 来绘制易损性曲线。通过研究构造柱的破坏机理得出，构造柱对抑制墙体开裂效果不明显，但当地震作用强度增大，结构发生较严重的破坏时，构造柱的存在能很好的防止结构倒塌。

2.2 砂浆强度对砌体结构抗震性能的影响

熊立红[6]使用软件构建3 个砂浆强度等级为M5、M7.5 和M10 的5层砌体模型，其余设置一致。然后对模型进行增量动力分析（Incremental Dynamic Analysis，IDA）分析，绘制结构易损性曲线。最后得到，当以砌筑砂浆为变量而其他条件均相同时，结构的变形与砌筑砂浆强度有关，砂浆强度越低，结构的变形越大。当PGA ＜0.20 g 时，IDA 曲线也可近似于直线，在此时最有可能体现为建筑结构的弹性阶段，但这时砌筑砂浆所体现的效果并不突出。反之当0.20 g＜PGA ＜0.50 g 时，由于曲线的坡度已经开始上升，砌筑砂浆强度为M10的建筑结构相比之下变化最小。在相同的PGA 作用下，使用M5 的结构损坏的概率最高，当PGA 为0.40 g 时，采用M5 的结构比采用M10 的结构的破坏的概率高出27.74%。

张永群[7]以砂浆强度为M1.0、M2.5、M5.0 和M10.0 进行分组建模，然后通过控制峰值加速度绘制各模型的易损性曲线。对比曲线得出，砂浆强度的提高，结构易损性降低，砌体结构的抗震性能得到加强并主要集中在抗剪能力的提升。砂浆强度越高，结构在受到地震作用时破坏的概率越小。由此可见砌筑砂浆强度等级对砌体结构抗震性能的影响很大，其作用并不能忽略。

2.3 结构层数对砌体结构抗震性能的影响

随着我国经济的高速发展、人口数量的增多以及城镇化加快。单层建筑已不足以满足人们的生活与工作要求，以至于建筑开始增加层数来获得更大的空间。但建筑在满足人们需求的同时，其抗震性能不应被忽略。为此本文总结结构层数对砌体结构抗震性能的影响，如表1 所示，表中文献分别用了3 种不同的研究方法，但都直接体现出结构的损坏程度与其楼层数量有很大的关联。即其他条件相同时，楼层数量越多，结构的损坏的概率越大。其中楼层数相差越大，结构受损情况愈发明显。结合汶川地震与唐山地震的震害调查来看，当设防烈度相同时，房屋层数越多结构破坏的越严重。所以楼层因子对砌体结构抗震性能的影响不可忽略。

表1 结构层数对砌体结构抗震性能的影响研究现状

2.4 抗震墙厚度对砌体结构抗震性能的影响

在建筑物的外围结构层中，因建筑材料的不同或者建筑构造不同使得其导热系数不一致，而造成热传导不一致的情况发生。比如门窗处（缝隙处理）、结构圈梁、暗柱（钢筋密集）处等部位，冬季不保温、夏季不隔热，不利于建筑的节能保温，能耗消耗大，需要对这些部位进行特殊处理达到节能减排的作用。我国幅员辽阔，尤其是南北方气候差异较大，对于砌体结构来说考虑到保温这一点，各地区的砌体建筑墙体厚度往往不同，为此根据砌体结构不同的墙体厚度在全国划分为三类区域，如表2 所示。鲁若帆等[9]通过有限元软件对三类区域进行时程分析，得到各区域的地震易损性曲线。最后得出，不同的墙体厚度，其结构响应差异明显，总的体现为墙体越厚，结构的损伤越低。通过所得易损性曲线的对比，可明显看出随着从Ⅲ区到Ⅱ区再到Ⅰ区的砖砌体结构墙体厚度的增加，其抗震能力不断增强。这是因为墙厚的增加不但增加了结构的刚度，同时也增加了砖砌体墙体的极限承载力，所以根据实际情况设计的不同区域的砖砌体房屋的墙体厚度越大，其结构的抗震能力越好。由此说明，在该强度地震作用下，随着墙体厚度的增加，各结构发生严重损伤和破坏情况变少，而对保持结构的完整情况则变多，这就是说，墙体越厚，结构越不容易出现较为严重（严重破坏和毁坏）的损坏情况。

表2 不同区域砌体结构墙体一般厚度

3 砌体结构抗震性能总结

综上所述，对于砌体结构抗震性能本文总结以下4 点：

1）对砌体结构而言，当地震作用强度较小，结构处于基本完好或轻微破坏状态时，构造柱发挥的作用不明显。随着地震作用强度变大，结构变形增加，构造柱开始发挥作用。PGA相同时，构造柱布置数量越多，结构的变形越小，构造柱对结构的约束能力得到充分体现。当结构发生严重破坏或倒塌时，构造柱已无法发挥作用。因此，在设计和建造砌筑结构时，为增加结构延性与提高结构抗震性能，构造柱布置的位置和数量，应严格按照规范要求。并且在客观条件支持的情况下，可以增加构造柱的数量。

2）当地震作用强度较小，结构处于弹性状态。随着地震作用强度增加，砂浆等级对体结构抗震能力的影响变大，采用M5 的结构比采用M10 的结构的破坏的概率最大可高出27.74%。当地震作用强度持续升高，结构发生严重破坏或倒塌时，砂浆的作用便不再明显。因此，在设计建造砌体结构时，不应使用强度等级过低的砌筑砂浆，如经济条件允许，还应适当增加砂浆的强度等级。

3）通过本文总结可知，结构的损坏程度与其楼层数量有很大的关联。即其他条件相同时，楼层数量越多，水平地震作用使房屋底部剪力增大，结构的损坏的概率越大。而且破坏往往集中在第一层。因此，在满足人们对空间的需求的同时，结构的抗震性能应得到充分的保证。砌体结构抗震性能比其他结构相对较弱，所以不仅要考虑楼层的数量，建筑的总高度也是一个重要因素。所以高层建筑不宜选用砌体结构。

4）墙体厚度在建筑结构设计中具有重要的作用，特别是对于砌体结构的稳定性、承载能力、抗震性能和隔热隔声等方面有着直接的影响。适当的墙体厚度可以提高结构的能量耗散能力，使结构能够更好地吸收和分散地震能量，从而减小地震引起的结构位移和应力。通过对比发现，不同的墙体厚度，其结构响应差异明显，总的体现为墙体越厚，结构的损伤越低。因此，在设计和建造砌筑结构时，为提高结构抗震性能与保温性能，并且在客观条件支持的情况下，可以增加砌体结构墙体的厚度。

4 结语

目前，砌体结构仍是我国现存的主要结构形式，尤其是在城镇和农村。但砌体结构也应随着社会的发展而做出改变。本文总结砌体结构需发展的方向，以及拟解决方法：

1）提高延性、抗倒塌能力。提高砌体结构的延性及抗倒塌能力，本文主要提出两点：第1，从约束砌体结构向配筋砌体结构发展。砌体配筋可以极大的提高结构的整体性与延性，增大结构在地震作用时的变形能力。第2，增加墙厚和增设构造柱。本文概述了构造柱与墙体厚度的重要性，增加墙厚和增设构造柱可以极大的提高结构延性并防止结构抗倒塌，以达到大震不倒。

2）发展新型砌体材料。砌体材料主要发展方向是轻质高强、节能环保，目标是：依据环境再生，协调共生，持续自然的原则，尽量减少自然资源的消耗，尽可能对废弃物再利用和净化。保护生态环境以确保人类社会的可持续发展。例如在各矿井，大量的开采、选矿所形成的工业垃圾、尾矿等可用于制作外墙材料，既维护了环境，又利用了资源，而各种矿物、煤炭，及粉煤灰等资源十分宝贵，综合利用粉煤灰、煤矸石、炉渣等工业废弃物做为砖墙材料或砌块，是绝佳的绿色可持续方法。

3）使用隔震减震技术。在砌体结构中，适当应用隔震技术。虽然目前在砌体结构中所推广使用的橡胶垫隔震在技术上已经相当完善了，但在经济上和耐久性等方面还是有研究的余地的。所以，建议在砌体结构中适当引入这种工艺是合理的。

4）完善评估体系。完善砌体结构基于性能的抗震设计与评估体系。如简单结构的概念设计和抗震墙面积率控制、砖墙平面内弯曲或倾覆破坏模式及其计算分析、砖墙平面外倒塌的计算分析与防倒塌措施等。