農村砌體房屋抗震性能振動臺試驗研究

文｜昆明市公路工程質量檢測中心有限公司 田亞洪；云南省建筑科學研究院 譚曉晶

引言

近年來，我國地震頻繁，如汶川地震、玉樹地震、魯甸地震、蘆山地震、雅安地震等，給人們造成了巨大的人員傷亡和經濟財產損失。而這些地震造成的建筑破壞多發生在農村地區。由于建造成本低廉，施工便捷，砌體結構成為農村地區一個量大面廣的建筑結構形式。但砌體材料呈脆性，且強度低，在外力作用下容易開裂；同時，農村房屋多由農民自行建造，缺乏結構抗震設計和構造，因而也容易在地震中遭受破壞。

針對農村房屋抗震性能研究，梁建國等人提出了滿足一定材料和構造要求的免于計算的、適用于底層磚砌體住宅的簡化設計方法。該方法對農房建造具有一定的指導意義，但缺乏抗震效果的試驗驗證。安曉文等人分析了魯甸地震中多層砌體結構、簡易民居的典型震害，僅給出了相應的建議，并未對結構抗震設計和抗震構造做深入分析研究。李龍師采用Abaqus 有限元軟件對農村砌體房屋進行抗震性能研究，并對其震害進行預測，用以指導農村防災減災。江道鐠分析了福建省農村石砌體結構的抗震性能，提出了抗震加固措施，但其抗震措施的有效性仍需試驗驗證。本文通過對農村地區磚砌體房屋的現場調查，設計制作了一個1/2 縮尺結構模型進行振動臺試驗，旨在對該地區典型砌體結構房屋的抗震性能進行研究，以提出相應提高其抗震性能的改進措施，為農村房屋建設提供參考。

圖1 粉質砂土砌筑泥漿

1 試驗概況

1.1 砌筑材料

考慮到農村房屋多以底層建筑為主，其結構形式簡單，建材強度通常比較低。為保證試驗具有一定代表性，試驗用砌筑材料采用燒結普通粘土磚，強度等級為MU7.5；粘結材料采用粉質砂土泥漿。由于地域經濟發展的差異，一些偏遠落后地區建房采用了低成本、不摻水泥和細骨料的泥漿作為粘結材料（圖1所示）。經過測試，該粉質砂土泥漿抗壓強度約為1MPa。

1.2 模型制作

試驗模型為單層單開間結構，屋蓋為木屋架和彩鋼板的坡屋面，采用硬山擱檁形式。按照文獻，模型設置了圈梁。模型結構的幾何相似比為1/2，具體尺寸如圖2所示。

圖2 試驗結構模型尺寸圖

表1 試驗結構模型相似比

1.3 試驗相似比

計算得到結構的試驗相似比如表1所示。為了滿足試驗應力相似比要求，試驗模型上布置配重塊，配重塊質量共計1.25t。

1.4 測點布設

試驗模型的振動反應采用加速度傳感器和位移傳感器來測試。由于地震波的加載方向為結構的縱向，加速度傳感器和位移傳感器均布置在結構軸橫墻上。其中，在①軸橫墻中線不同標高處共布設5 個加速度傳感器，在軸和軸上下圈梁處分別布設4 個位置位移傳感器，在①軸山尖墻頂部布置了1 個位移傳感器，以測量結構的層間位移變化和扭轉情況。各測點的布置如圖3所示。

1.5 加載制度

試驗加載激勵分別采用El-Centro（NS,1940）、Taft（N-S,1952）和一條二類場地人工地震動記錄，并采用正弦掃頻進行結構的動力特性測試。每試驗工況后均進行結構的動力特性測試，以驗證結構剛度衰減情況。試驗共有分9 個工況，即把地震動峰值加速度依次調整為70gal、200gal、440gal、700gal、800gal、900gal、1000gal、1100gal、1240gal。

圖3 測點布置圖

圖4 試驗結構破壞圖

圖5 各測點在不同地震動激勵下的加速度峰值反應

2 試驗結果與分析

2.1 結構破壞形態

當地震動峰值加速度為70gal 和200gal時，結構基本處于彈性狀態，墻體沒有出現裂縫。地震動峰值加速度為440gal 時，結構的②軸山尖墻與圈梁連接處出現1 條水平向主裂縫，而當地震動峰值加速度增大到700gal 時，①軸和②軸山尖墻與圈梁連接處均出現水平裂縫，并且原有水平裂縫擴展延長至整個橫墻墻體；軸和軸縱墻的門窗洞口的角部出現沿灰縫呈階梯狀的斜裂縫。當地震動峰值加速度增加到800gal 和900gal 時，兩山尖墻晃動加劇，山尖墻與圈梁之間產生滑移，砂漿壓酥，磚塊掉落，兩縱墻門窗洞口的角部斜裂縫繼續擴展延伸。地震動峰值加速度為1000gal和1100gal 時，兩山尖墻與下部橫墻墻體產生相對晃動，兩縱墻的門窗洞口角部斜裂縫繼續擴展并延伸至橫墻。地震動峰值加速度為1240gal 時，縱墻裂縫寬度擴展最大，結構的最終破壞如圖4所示。

2.2 結構加速度反應

試驗模型在不同地震動激勵下的加速度反應如圖5所示。可以看出，測點3 的加速度反應比其他測點的反應都大。沿墻體高度，加速度反應逐漸增大，墻體中部的加速度反應是最大的，而到達墻體頂部加速度又減小。

2.3 結構位移反應

從試驗結果來看，隨著地震動峰值加速度增大，試驗模型的位移反應也趨大。其中，測點S5的位移反應最大，表明該部位的山尖墻晃動較為明顯。從表2可以看出，試驗加載到工況4 時，山尖墻由于晃動過大而坍塌。這是由于山尖墻頂部僅有檁條搭接連接，而檁條無法起到有效側向支撐作用，故而由于位移過大導致破壞。因此在實際工程中，檁條與墻體的可靠連接是提高墻體穩定的重要環節。

從表2、表3和表4結果對比來看，在相同地震動峰值加速度工況時，試驗模型在人工地震動激勵下的位移反應最大，在Taft 地震動激勵的位移反應次之，在El-Centro 地震動激勵下的位移反應最小。在不同地震動激勵下，結構位移反應出現明顯差異，這跟結構的動力特性與地震動特性有關。頻譜特性與結構動力特性接近的地震動，造成的結構作用效應越顯著。

2.4 結構的動力特性

在每個試驗工況結束后，對試驗模型進行正弦激勵掃頻，測得結構自振頻率的變化如表5所示。可以看出，隨著試驗工況增加，結構的自振頻率逐漸降低。這就表明結構的剛度逐步降低，損傷逐漸增大。

3 結論

通過對農村典型砌體結構進行振動臺試驗，模擬其抗震性能，得到如下結論：

1．地震動激勵下，結構的加速度反應沿著墻體高度逐漸增大，墻體中部加速度反應最大，而到了墻體頂部加速度反應又降低。

2．人工地震動激勵下，結構的位移反應最大，Taft 地震動激勵下結構位移反應次之，El-Centro 地震動激勵下結構位移反應最小。

3．采用硬山擱檁形式的房屋，其山尖墻與檁條的連接是容易破壞的地方，山尖墻也容易由于晃動過大而坍塌，因此實際工程中該部位連接需采用可靠措施。此外，門窗洞口的角部是容易發生破壞的部位，是首先需要考慮加固的部位。

表2 Taft 地震動作用下測點S1、S3 和S5 最大相對位移（單位: mm）

表3 El-Centro 地震動作用下測點S1、S3 和S5 相對最大位移（單位: mm）

表4 人工地震動作用下測點S1、S3 和S5 相對最大位移（單位: mm）

表5 各試驗工況后結構的自振頻率