村鎮建筑砌體結構的動力特性分析

吳 韜, 王 浩, 易苗苗, 蔣 敏, 王艷華

(1.安徽新華學院土木與環境工程學院,安徽 合肥 230088; 2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；3.蚌埠玻璃工業設計研究院,安徽 蚌埠 233018)

村鎮建筑砌體結構的動力特性分析

吳 韜1, 王 浩2, 易苗苗1, 蔣 敏3, 王艷華1

(1.安徽新華學院土木與環境工程學院,安徽 合肥 230088; 2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司,安徽 馬鞍山 243000；3.蚌埠玻璃工業設計研究院,安徽 蚌埠 233018)

為探討村鎮建筑中低層砌體結構的動力特性與振動機理,基于農居調查實測的布置及材料性能數據,在ABAQUS軟件中建立考慮結構布置、材料強度及有限元網格控制等參數的7個有限元模型方案,對各模型進行結構動力特性分析,并對比分析其振動形態、振型分量及振型周期。分析表明,村鎮建筑中按常規布置的砌體結構,其振動特性不利于結構抗震；砌體材料性能劣化在降低結構承載能力的同時還會放大高階面外振動分量的地震作用,加劇承重墻在地震中發生外閃倒塌的機率；如采取措施實現結構的基本振型為沿橫向平動,則其振動特性表明橫墻的承重與抗側能力均可有效發揮,且面外振動的高階振型被抑制,提高了結構抗震能力；此外,本文還提出ABAQUS對殼單元沿厚度方向的網格控制要求。

村鎮建筑; 砌體結構; 動力特性; ABAQUS

0 引言

近年來歷次大震均發生在農村地區,如2008年汶川大地震、2010年玉樹地震、2013年蘆山地震、2013年岷縣漳縣地震、2014年魯甸地震等,均造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。震害調查及農居抗震現狀調查表明[1-3],我國農村民居的地震安全問題與城市建筑相比,具有如下顯著特征:(1)農村地區防災減災意識淡薄,農居幾乎處于完全不設防狀態；(2)部分在役農居由于選址、建造、材料等諸多因素存在明顯損傷,嚴重削弱了結構的承載能力；(3)震中地區農居損毀嚴重,非極震區小震成災甚至小震大災現象普遍。尤其值得關注的是,目前我國地震帶多處于活躍期[4],破壞性地震漸呈高頻多發趨勢,研究并有效解決農居的地震安全問題已顯得尤為迫切和重要。根據調查顯示,我國村鎮建筑的結構形式中砌體結構占到60%以上[5],但針對砌體結構的抗震性能研究報道并不多[6-7],尤其是村鎮建筑中量大面廣的低層砌體結構,其自振特性包含了一定程度面外振型,但其振動機理及影響因素尚未進行深入研究。

安徽省農居抗震研究有其獨特的地質構造背景,著名的郯廬斷裂帶斜貫全省,一直是地震危險重點監視區[8]。此外安徽省還隸屬于揚州-銅陵地震帶、麻城—常德地震帶、許昌—淮南地震帶。近幾年中小震頻發,并多次致災,其抗震設防工作嚴峻。安徽省高校優秀青年人才基金重點項目“郯廬斷裂帶安徽區段農居的地震安全性能研究”的調查結果表明,隨著地震安全農居工程的逐步推進,低層砌體結構地震安全性能將成為該區域農村地區抗震設防工作的重心之一。本文根據課題組現場實測的結構布置及建筑材料性能數據,設計安徽村鎮典型農居的基本結構方案,并在ABAQUS軟件中擴展建立多個有限元模型,分析結構參數及有限元控制方法對結構動力特性的影響,據此提出農居結構的合理布置及參數方案,以期為后續科研或加固改造方案及制定相關村鎮建筑抗震設防標準提供參考依據。

1 砌體結構分析模型

1.1 結構方案

根據課題組前期調查結果表明,安徽村鎮建筑的結構形式主要為砌體結構(調查中磚混結構和磚木結構占總數的89%)。典型農居的主要平面布置如圖1所示,縱墻和內橫墻上一般布置有門、窗洞。

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

本文采用兩開間方案建立分析模型,平面布置及墻體尺寸如圖1(a)所示,共2層,層高根據調查結果取統計平均值3.6 m。實地調查發現圈梁構造柱等抗震構造措施的設置一般未經專業考慮及規范設置,存在諸多不合理之處,如圖2所示。為簡化分析,基本結構方案不考慮圈梁構造柱的作用,且樓梯采用外置分離式方案。模型中墻體為實心磚墻,材料選用普通燒結磚,內、外墻厚度均為240 mm。被調查地區農居的樓屋蓋一般采用預制空心板及后澆混凝土,預制板厚度主要有120 mm和150 mm兩種,混凝土后澆層厚度約30～50 mm。考慮樓板空心的影響,本文樓屋蓋均采用經折算后的120 mm厚實心板。模型中材料性能參數采用先期實地檢測時獲取的樣本數據(樣本農居的統計平均建造時間為2002年),其中砂漿采用貫入法檢測,強度值相當于M3.0;燒結磚采用回彈法檢測,強度值相當于MU10;樓板混凝土采用回彈法檢測,強度值相當于C20。

圖2 抗震構造措施不合理Fig.2 The unreasonable details of seismic design

1.2 有限元模型

鑒于有限元分析軟件ABAQUS對非線性分析具有良好的收斂性,為課題組開展強震下村鎮建筑的彈塑性動力分析奠定基礎。本文采用ABAQUS軟件在典型農居基本結構方案基礎上擴展建立多個有限元分析模型。

由于砌體構件是由砌塊和砂漿組合而成的二相性復合構件,因此根據分析目的一般有兩種建模處理方式,即分離式建模和整體連續建模[9]。分離式建模是分別建立砂漿和砌塊的模型,然后將砂漿和砌塊接觸面的所有節點耦合(不考慮兩者間的粘結滑移),或者將砂漿與砌塊通過接觸單元或非線性彈簧連接(考慮兩者間的粘結滑移),該方法能較好地模擬砌塊與砂漿之間的作用及砌體構件的破壞機理,但建模繁瑣,且計算量大,一般較適用于模擬試驗砌體構件的破壞行為。整體連續建模是假定砌體構件由一種均勻的連續性材料組成,即砌體構件的工作特性與破壞形式可采用這種勻質化新材料的性能參數進行等效表征。整體連續模型雖然對于砌體構件的微觀性態模擬及失效機理分析顯得不足,但在模擬砌體結構時能有效表征結構的宏觀反應,且建模快捷、計算量小。考慮本文主要研究典型砌體結構方案的整體動力特性,結合課題研究目的,對砌體采用整體連續方式建模。

模型中墻體和樓(屋)面板均采用三維減縮積分實體單元(C3D8R),墻體與樓板的界面近似按綁定約束處理,單元網格劃分時將實體單元盡量劃分為六面體。基本砌體結構方案的三維有限元模型見圖3所示。結合實地調查、材料性能檢測及有限元軟件特點,共建立了3組有限元對比模型。具體模型方案及參數見表1,其中開間均取3.6 m,砌體彈性模量根據文獻[10]提出的方法計算。

圖3 有限元三維模型Fig.3 Finite element 3D model

模型方案平面縱橫比墻體材料強度等級墻體單元厚度/mm基本結構1．5MU10砌塊、M3．0砂漿120M1-12MU10砌塊、M3．0砂漿120M1-21MU10砌塊、M3．0砂漿120M2-11．5MU15砌塊、M5．0砂漿120M2-21．5MU7．5砌塊、M1．5砂漿120M3-11．5MU10砌塊、M3．0砂漿60M3-21．5MU10砌塊、M3．0砂漿240

2 動力特性分析

采用子空間迭代算法提取各模型方案的振型、周期及參與因子,參照經驗公式[11]計算砌體結構基本周期:T1=0.016 8(H0+1.2)=0.141 s,其中H0為砌體結構高度。除M3-2外,各模型的基本周期均接近經驗周期值,且與文獻[12]中類似結構實測頻率接近,說明模型具有可信度。

表2給出了各模型方案的前3階振動形態。限于篇幅,本文只給出了基本結構模型(圖4)和M3-2模型方案(圖5)的前3階振型圖,以及各模型方案中起控制的高階振型圖(圖6)。各模型在基本振型對應方向的前10階振型參與因子分布見圖7所示。表3給出了各模型的前10階振型周期。前文所述模型參數(平面縱橫比、材料強度、墻元厚度)與周期關系對比見圖8。

2.1 振動形態

表2中有兩個模型的振動形態與其他模型有別,值得關注:(1)M1-1模型第1階振型(基本振型)為Y向平動；(2)M3-2模型前3階振動形態不是整體振動。

村鎮建筑中的低層砌體結構常規采用橫墻承重,而門窗洞口主要沿縱墻布設,且結構并未進行必要的抗震概念設計,因此其基本振型一般沿縱向(X向)平動,如表2、圖4所示。地震中縱墻洞口位置往往由于應力集中而首先破壞,而橫墻受平面外位移控制,其承載能力和抗側能力均被明顯削弱,加劇了抗側力構件的破壞程度。如樓蓋采用預制板,由于橫墻的面外位移極易發生錨固失效而跌落垮塌。因此由M1-1的振動形態可得出如下抗震啟示:采取措施調整結構在不同方向上的抗側剛度分布,使得橫向剛度小于縱向剛度,將有效解決上述結構常規布置時所存在的振動不合理問題,并發揮橫墻的面內抗側移作用,即通過改變結構的振動形態和破壞機制來改善結構的抗震性能。

表2 各模型前三階振型形態

圖4 基本結構模型前3階振型Fig.4 The first three vibration modes of basic structure model

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

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

圖7 各模型振型參與因子分布圖 (注：不含M3-2模型)Fig.7 The distribution of mode participation factor of models (Note:exclusive of M3-2 model)

振型基本結構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

圖8 各模型參數對應的周期對比(注：不含M3-2模型)Fig.8 The periods comparison corresponding to each parameter

由于ABAQUS軟件對墻元在厚度方向不劃分單元,M3-2模型計算結果中低階振型表現為沿墻厚方向振蕩,其振型云圖見圖5所示。該振動形態與實際結構不符,且其振型周期和振型參與因子分布也出現了顯著異常現象,因此判定M3-2模型為無效模型。在模型調試階段還發現,當對樓板在板厚方向不劃分單元時,也出現了上述板厚方向的振蕩,說明ABAQUS軟件在前處理模塊中對平面構件沿厚度方向應至少劃分2個單元,否則將出現異常振型和不合理的計算結果。

2.2 振型分量

由圖7中振型參與因子分布可知,各有效模型的動力特性均由基本振型和某高階振型控制,該高階振型的振型參與因子與基本振型不相上下。由圖6可知,除M1-1外其他模型的高階振型均為墻體面外振動,這就解釋了歷次地震中承重墻易發生外閃倒塌[1]的振動機理。而M1-1的高階振動形態主要是走廊懸挑板豎向振動和主體結構沿橫向(Y向)二次平動,表明當結構的基本振型沿橫向平動時,其高階控制振型可轉換成整體振動,其動力特性顯然優于墻體的面外振動。且通過圖6還可發現,開洞墻體的面外振動峰值得到了一定程度的抑制。因此,為改善村鎮建筑的動力特性,提高其抗震性能,結合前述基本振型的啟示,在控制基本振型為橫向平動的前提下可對承重墻體進行分段處理,即在端部設置加強區、中部按照填充墻構造技術處理,形成聯肢抗震橫墻,以降低結構的高階面外局部振型分量,進而有效解決墻體外閃倒塌的震害。

2.3 振型周期

從表3和圖8(b)可以發現,隨著材料強度降低,各階振型周期按照M2-2、基本結構、M2-1順序依次降低,規律明顯。結合課題組的實地檢測與調查,表明材料實測強度與農居建造年代呈現出較強的相關性,且起控制的高階面外振動分量隨房屋年齡的增加而被放大。因此對于沒有規范管理的建筑材料或未做抹灰層保護的墻體,其材料性能劣化問題是村鎮建筑抗震不容忽視的因素。

由圖8(a)可知,平面縱橫比對應的周期在低階時無明顯規律,但在第4階及以上的各階振型中,M1-1模型的周期均小于基本結構和M1-2模型,表明當基本振型沿橫向振動時會進一步降低高階控制振型的地震作用。

由圖8(c)可知,沿厚度方向劃分2個單元(基本結構)和4個單元(M3-1),其振型周期計算結果基本一致。考慮研究目標和任務,本課題對各模型在殼單元沿厚度方向劃分2個單元,可滿足計算精度要求,同時能明顯提高計算效率。

3 結論

本文基于有限元軟件ABAQUS探討村鎮建筑中低層砌體結構的動力特性,通過結構平面縱橫比、材料強度及墻厚方向單元數等因素對結構的振動形態、振型分量、振型周期等影響效果進行對比分析,結果表明:

(1) 調查區域中村鎮建筑砌體結構按照常規結構布置,其基本振型一般表現為結構沿縱向平動,且墻體面外振動的高階振型分量不可忽視,往往導致結構在縱墻上洞口位置由于應力集中而遭到破壞,且橫墻受到過大的面外位移而提前喪失承載與抗側移能力,部分墻體中還可能發生外閃倒塌。

(2) 如采取措施(如增大縱橫比或采用聯肢抗震橫墻等)調整結構的抗側剛度,使得橫向剛度小于縱向剛度,實現基本振型沿橫向平動,可明顯降低墻體面外振型分量,改變結構的振動機理,使其抗震性能得到有效提高。

(3) 村鎮建筑經調查與實測表明,由于多種原因其材料強度與建造時間存在明顯相關性,材料的劣化會增大高階振型周期,結構承載能力下降的同時,水平地震作用被放大,地震損傷將相對增加。

(4) 當采用ABAQUS有限元軟件建模時,在殼單元的厚度方向應至少劃分2個單元,以防止模型出現低階面外振蕩的異常現象。具體單元數可視分析目標而定。

References)

[1] 清華大學、西南交通大學、北京交通大學土木工程結構專家組.汶川地震建筑震害分析[J].建筑結構學報,2008,29(4):1-9. Civil and Structural Groups of Tsinghua University,Xinan Jiaotong University and Beijing Jiaotong University. Analysis on Seismic Damage of Buildings in the Wenchuan Earthquake[J].Journal of Building Structures,2008,29(4):1-9.(in Chinese)

[2] 王蘭民,吳志堅.岷縣漳縣6.6級地震震害特征及其啟示[J].地震工程學報,2013,35(3):401-412. WANG Lan-min,WU Zhi-jian.Earthquake Damage Characteristics of the Minxian—ZhangxianMS6.6 Earthquake and Its Lessons[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(3):401-412.(in Chinese)

[3] 葛學禮,朱立新,于文.我國村鎮建筑防災研究概述[J].自然災害學報,2014,23(2):8-14. GE Xue-li,ZHU Li-xin,YU Wen.Overview of Researches on Disaster Prevention of Buildings in Village and Town[J].Journal of Natural Disasters,2014,23(2):8-14.(in Chinese)

[4] 張守潔,朱澤,哈輝,等.我國農村震害及農居地震安全工程典型案例分析[J].地震工程學報,2013,35(4):936-944. ZHANG Shou-jie,ZHU Ze,HA Hui,et al.Analysis of Typical Cases of Earthquake Damage in Rural Areas of China and Earthquake Safety Projects for Rural Houses in Recent Years[J].China Earthquake Engineering Journal,2013,35(4):936-944.(in Chinese)

[5] 王毅紅,韓崗,卜永紅,等.村鎮既有砌體結構民居建筑抗震性能現狀分析[J].建筑結構,2010,40(12):101-104. WANG Yi-hong,HAN Gang,BU Yong-hong,et al.Existing Research on Seismic Behavior of Masonry Structure in Village Buildings[J].Building Structure,2010,40(12):101-104.(in Chinese)

[6] 孫雷,劉福勝,王少杰,等.短周期村鎮砌體建筑振動特性實測與抗震性能分析[J].土木工程學報,2013,46(增刊2):57-62. SUN Lei,LIU Fu-sheng,WANG Shao-jie,et al.Dynamic Characteristic Test and Seismic Performance Analysis of Short-period Masonry[J].China Civil Engineering Journal,2013,46(Supp2):57-62.(in Chinese)

[7] 張健.既有砌體結構基于性能的抗震加固研究[J].地震工程學報,2014,36(1):28-33,53. ZHANG Jian.Research on Performance-based Seismic Strengthening of Existing Masonry Structures[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(1):28-33,53.(in Chinese)[8] 葉獻國,汪可,曹均鋒,等.皖東北部分地區民居抗震設防專項調研及震害預測[J].工程抗震與加固改造,2012,34(5):126-131. YE Xian-guo,WANG Ke,CAO Jun-feng,et al.Seismic Fortification Special Research and Earthquake Damage Prediction of Rural Dwellings in the Northeast of Anhui Province[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2012,34(5):126-131.(in Chinese)

[9] 鄭妮娜.裝配式構造柱約束砌體結構抗震性能研究[D].重慶:重慶大學,2010. ZHENG Ni-na.Research on Seismic Behavior of Masonry Structures with Fabricated Tie-columns[D].Chongqing:Chongqing University,2010.(in Chinese)

[10] 殷園園.芯柱式構造柱約束砌體結構抗震性能評價[D].重慶:重慶大學,2011. YIN Yuan-yuan.Evaluation of Seismic Behavior on Masonry Structure Confined by Core-tie-column[D].Chongqing:Chongqing University,2011.(in Chinese)

[11] GB50003-2011,砌體結構設計規范[ S].北京:中國建筑工業出版社,2011. GB50003-2011,Code for Design of Masonry Structures[S].Beijing:China Architecture & Building Press,2011.(in Chinese)[12] 魏文暉,宋文景,陳立.村鎮住宅動力特性測試與抗震性能研究[J].武漢理工大學學報,2010,32(3):42-25,49. WEI Wen-hui,SONG Wen-jing,CHEN Li.The Test of Dynamic Characteristics and Analysis of Seismic Behavior on the Rural Residences[J].Journal of Wuhan University of Technology,2010,32(3):42-25,49.(in Chinese)

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 基金項目:國家自然科學基金(51408179)；安徽省高等學校自然科學研究基金重點項目(KJ2014A099)；安徽省高等學校優秀青年人才基金重點項目(2013SQRL098 ZD)

吳 韜(1982-),男,碩士,講師,主要從事結構動力分析與工程防災減災研究。E-mail:taoxia201@163.com。

TU365

A

1000-0844(2016)06-0877-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0877