高校典型砌體宿舍樓抗震安全性能評估

莊裕林，肖峻峰，吳盼盼

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

由于砌體結構施工方便、造價較低，在過去的很長一段時間被作為高校多層宿舍樓的主要結構形式，但因其抗彎、抗剪、抗壓的能力較差，在地震作用下更易發生破壞[1]，給人們的生產生活造成巨大的災難。對于砌體結構的抗震安全性能，國內許多學者也做了相應的研究[2-5]，近年來，隨著我國中小學校舍抗震鑒定與加固工作的全面展開[6，7]，對許多砌體結構房屋進行了安全性能檢測及加固，但對于高校內一些仍在使用的老舊砌體宿舍樓，由于缺乏相關政策要求，導致其未能進行抗震安全性能評估及檢測加固。針對上述問題，本文對安徽某高校典型宿舍樓抗震安全性能進行研究，通過模擬宿舍樓在不同抗震設防烈度下的結構位移反應，為現有及類似老舊砌體宿舍樓的抗震安全鑒定與加固提供參考。

1 工程概況及模型分析

1.1 工程概況

此學生宿舍樓始建于20世紀70代，是典型的砌體結構樓體。通過對研究對象進行現場實測，其中磚和砂漿的強度等級分別為MU10及M7.5，樓板、圈梁及構造柱等構件都是強度等級為C20混凝土，鋼筋按構造配筋均采用Ⅰ級鋼筋。

為了計算機計算的方便，簡化處理了原結構的外形尺寸：在縱向將房間選定為規則的六跨，并且未考慮樓梯間對模型整體抗震性能的影響；門洞的寬高為1700 mm×2500 mm，窗臺的高度為1100 mm，縱向上窗洞的寬高為1500 mm×1900 mm；橫向上未做簡化，與原結構保持相同；高度上只建立四層，層高3280 mm，如圖1所示。

圖1 砌體宿舍樓結構平面圖

1.2 模型建立

本文采用大型通用有限元軟件ABAQUS建立三維整體模型[8,9]。由于本文主要研究砌體結構的宏觀反應情況，所以在模型的建立當中，是將整個砌體墻體看作各向性質統一且均勻連續單元，不考慮砂漿與磚體間的黏結作用關系，采用類似“素混凝土”來模擬；構造柱及圈梁采用三維實體 C3D8R(8 節點減縮積分單元)來模擬；對于鋼筋，則采用T3D2(二次三維桁架單元)進行模擬。模型的構造柱、圈梁以及磚砌體之間的鏈接約束采用Tie(捆綁)約束；構造柱和圈梁中的鋼筋是采用Embedded Region(嵌入區域)約束。三維整體模型見圖2。

圖2 砌體宿舍樓模型

1.3 應力分析

混凝土的應力-應變關系如式(1)和式(2)所示，砌體的應力-應變關系如式(3)所示[10]。

當x≤1時

(1)

當x>1時

(2)

(3)

2 模態分析及時程分析

2.1 模態分析

通過采用ABAQUS/Standard分析模塊中的線性攝動分析步(Linear Perturbation)的頻率提取分析步進行模態分析，如圖3，同時提取前6階自振周期及振動特征如表1。

圖3 二階扭轉模態云圖

表1 結構自振周期

由表1可知，房屋的1階振型是沿房屋水平橫向振動，4階振型和6階振型是沿豎向振動，由于房屋豎向通常設有門洞及窗洞，因此相比于橫向，豎向抗側結構剛度較小，對房屋整體的抗震性能有一定影響；2階、3階、5階振型中，結構繞豎向扭轉程度較大，體現了其抗扭能力較弱，在地震發生時，容易發生倒塌。

2.2 時程分析

時程分析中該選何種地震波是分析問題的關鍵所在，結合實際場地情況，本文選取與合肥地區場地類別相類似的世界強震記錄Taft地震波(N2lE/1952)作為輸入地震波，如圖4所示。

圖4 Taft地震波加速度時程圖

此地區抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，宿舍樓場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s。因此，根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)5.1.2節對時程分析所用的地震波加速度時程的最大加速度的規定：地震影響為多遇地震的6度設防地區加速度時程的最大值為18 cm/s2,地震影響為多遇地震的7度設防地區加速度時程的最大值為35 cm/s2,地震影響為罕遇地震的6度設防地區加速度時程的最大值為125 cm/s2,地震影響為罕遇地震的7度設防地區加速度時程的最大值為220 cm/s2[11]

采用Taft地震波，結合規范中輸入地震最大加速度設置如下四個工況進行砌體宿舍樓進行地震反應分析，如表2所示。

表2 工況點設置

沿模型橫向、縱向施加Taft地震波，模擬砌體結構在不同地震烈度下地震反應，房屋各層綜合位移云圖如圖5。由圖5知，在同一設防烈度下，罕遇地震對房屋的位移影響比多遇地震大，如6度設防烈度下，罕遇地震對其影響的最大位移約為3.51 cm，多遇地震對其影響的最大位移約為0.49 cm。在7度設防烈度下，由于地震加速度峰值的增大，相比于6度設防烈度，樓體的位移普遍增大。且在圈梁及構造柱處出現了應力集中的現象，此說明圈梁及構造柱的設立有利于結構的抗震安全。現提取各樓層層間位移，如圖6所示。

圖5 不同設防烈度下模型位移云圖

本文選取蔣利學、王卓琳等人給出的層間位移角指標作為評估砌體結構墻體有限元模型的抗震性能指標[12]，相應的層間位移角限值如表3所示。

表3 結構破壞與層間位移角關系及各項水平

同時整理了四個工況下層間位移角、安全性能及性能水平，如表4。

由表4可知，在設防烈度為6度的條件下，若發生多遇地震，則樓房層間位移角在1/2118～1/1387之間，此時房屋安全水平等級為“安全”，抗震性能良好；在6度罕遇地震發生時，樓房層間位移角分布范圍為1/95～1/190，此時樓房抗震性能破壞嚴重，安全水平等級為“危及生命”，不具有居住功能；在設防烈度為7度的條件下，發生多遇地震時，房屋層間位移角范圍在1/1344～1/355之間，房屋損害嚴重，易發生倒塌，安全水平為“生命安全”；7度設防條件下，

圖6 不同設防烈度下樓層層間位移

表4 結構橫向墻體(X向)不同設防烈度下層間位移角及各項水平

發生罕遇地震，房屋層間位移角分布為1/212～1/55，房屋結構嚴重損壞，會造成重大災害。結果表明此宿舍樓模型的抗震安全性能較差，應盡快采取加固措施。

3 結論

通過利用有限元軟件ABABQUS對砌體結構模型的抗震性能分析，得出如下結論：

1)在同一設防烈度下，罕遇地震較多遇地震的破壞程度更大，不同設防烈度下，地震等級的增大對于砌體宿舍樓的安全威脅也越大；

2)通過對比各層的層間位移可知，砌體宿舍樓的首層位移較其他層大，因此首層結構的安全對于砌體結構整體的安全有著至關重要的作用；

3)在抗震設防烈度為7度的地區，一旦發生6度及6度以上罕遇地震時，老舊砌體宿舍樓將受到嚴重的破壞，嚴重危及人們的生命安全。故應對現有此砌體結構建筑采取加固措施或拆除，防患于未然。