用拆除墻段建造的磚砌體結構地震易損性分析

鄭文忠，蘇志明，王 英，周 威

(1.結構工程災變與控制教育部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090； 2.土木工程智能防災減災工業和信息化部重點實驗室(哈爾濱工業大學)，哈爾濱 150090)

采用燒結黏土磚和砂漿砌筑而成的磚墻與混凝土樓/屋蓋組成的混合結構，中國量大面廣。當前大量磚砌體結構建筑因城鎮更新、抗震設防和使用功能的提升，雖未達到設計使用年限，但已需要加固、改造或拆除。實際上擬拆除磚砌體結構房屋，并不完全因為結構損壞等安全問題，砌體墻片相對完整，承載能力較強。為此，對這些磚砌體墻片工業化拆除后再拼裝，實現拆除墻片的再利用，具有重要意義。

國內針對具有歷史價值和文物價值的砌體結構的遷移、改造和加固過程中，多涉及磚砌體墻片整體拆除后的拼裝再利用。山東淄川中醫院仿古門樓因道路拓寬采用動力牽引法進行了整體搬移[1]；上海四明公所門樓因中國人壽大廈的籌建被整體平移；哈爾濱中央大街西九道街的“百年老墻”因舊城改造進行了移位和復位[2]。在保護建筑的加固改造過程中對墻體整體拆除和移位的技術，為磚砌體結構房屋的工業化拆除與磚墻片再利用提供了借鑒。

Quagliarini等[3]對拆下的磚塊、磚碎片和砂漿的化學、物理和力學性能進行了分析，并對使用磚塊和磚碎片制成的羅馬式磚墻片進行了抗壓強度試驗，結果表明施工工藝對墻體的抗壓強度和破壞模式有著較大的影響。Zhou等[4]采用鋸切和沖孔兩種方法實現了磚塊與水泥砂漿的分離，并對拆除磚塊和用拆除磚塊制作的墻片進行了力學性能評價，結果表明拆除過程對磚塊性能影響較小，用拆除磚塊和新磚塊制作的墻片的抗壓強度相近。Ucer等[5]對拆除現場獲得的磚塊、砂漿塊和磚墻片進行了基本力學性能試驗，并對比分析了由磚塊和砂漿強度推導出的砌體強度與磚墻實際強度，結果表明拆除獲得的磚塊和磚墻片均能達到標準規定的強度限值，而且墻片的破壞模式與常規磚墻相同。這些研究說明，在條件允許時采用合理的設計方法，被拆除的墻片可應用于工程建造。

總結國內外相關研究現狀[6-12]，對于砌體結構的研究較多集中在新型墻體和新的抗震措施等方面，對用拆除墻段建造的磚砌體結構抗震性能的研究有限。針對用拆除墻段建造的磚砌體結構抗震性能研究的不足，本文采用增量動力分析方法(簡稱IDA)對7個磚砌體結構模型進行了地震易損性分析，考察構造柱間距、結構層數和砌體強度對用拆除墻段建造的磚砌體結構抗震性能的影響，為用拆除墻段建造的磚砌體結構的抗震能力評估提供科學依據。

1 用拆除墻段建造的磚砌體結構

在拆除磚砌體墻片前，首先要進行擬拆除磚墻所支承樓/屋蓋的拆除。磚砌體墻片包括無洞口墻片和有洞口墻片；有洞口的墻片分為有窗洞口的墻片和有門洞口的墻片。為實現砌體結構建筑工業化拆除及再利用，引入裝配式砌體建筑的相關設計方案，拆除墻段的尺寸和形狀應符合裝配式一體化設計的要求，且拆除墻段宜滿足無支撐狀態下的抗傾覆要求和吊裝額定起重重量的要求。綜合考慮相關資料，為避免墻段在運輸及吊裝過程中發生損壞，建議墻段長度不超過4.8 m，高度不超過3.6 m。

無洞口的墻片的裁分需根據裁分尺寸，確定擬拆除墻片的裁分方案。采用取芯機以孔孔相切的原則在擬拆除墻段兩邊成孔，安裝夾持框并將夾持框與吊具的吊鉤相連，最后在墻段下方成孔后吊離墻段，具體拆除示意見圖1。這里需要指出，在對墻片裁分之前需設置好可靠支撐。

圖1 無洞口墻片的拆除示意Fig.1 Removal of wall pieces without openings

有窗洞口的墻片分為窗間墻與窗帶墻。窗間墻和窗帶墻的裁分需在窗間墻兩側由樓蓋到窗臺的高度范圍之內和由窗頂至樓蓋的高度范圍之內采用取芯機以孔孔相切的原則成孔分割。這里需要注意，裁分由窗頂至樓蓋的高度范圍之內的窗帶墻時，要設有必要的支頂來保證拆除過程中的安全。

有門洞口的墻片分為門上墻與門洞兩側墻。門洞兩側墻的裁分與無洞口的墻片的裁分方法相同。門上墻的裁分與窗頂至樓蓋部分墻體的裁分方法相同。

拆除墻段間的連接包括水平連接和豎向連接。拆除墻段間通過砂漿層實現豎向連接。拆除墻段間通過“端面孔口+水平植筋+構造柱”實現水平連接，具體包括相鄰墻段間的“一”形連接、“L”形連接和“T”形連接，以及窗間墻與窗帶墻的連接和門上墻與兩側墻的連接，連接示意見圖2。

需要指出，在用拆除墻段建造新的砌體結構房屋之前，應檢測擬拆除房屋的磚墻、磚墻所用磚塊和砌筑砂漿的力學性能；拆除墻段間通過“端面孔口+水平植筋+構造柱”實現水平連接，這種措施將導致用拆除墻段建造的磚砌體結構的構造柱間距較小，合理考慮構造措施對結構整體抗震性能的影響也是值得關注的問題。

圖2 拆除墻段間的幾種連接方式Fig.2 Several connection modes for removed walls

2 分析模型

本文主要考察構造柱間距、結構層數和砌體強度對用拆除墻段建造的磚砌體結構抗震性能的影響，所建立模型的平面布置相同，僅改變以上三種設計參數的取值，結構平面布置見圖3。

圖3 結構平面布置(mm)Fig.3 Structure layout(mm)

用拆除墻段建造的磚砌體結構模型軸線長36.0 m，寬14.4 m，各層層高均為3.0 m，墻厚240 mm。屋面和樓板厚度為120 mm，混凝土強度等級為C30。構造柱尺寸為240 mm×240 mm，混凝土強度等級為C20。拆除墻段所用磚強度等級為MU10，砂漿強度可由測得的磚砌體抗壓強度平均值和磚強度計算得出。7個模型結構均滿足現行《砌體結構設計規范》[13]的要求，模型的其他信息見表1。

表1 模型的基本信息Tab.1 Basic information of models

3 地震易損性分析

3.1 增量動力分析

增量動力分析可反映在不同地震動作用下結構的強度、剛度和變形能力的變化過程。本文基于Wilson-θ法進行彈塑性動力反應分析，采用串聯多自由度的等效剪切模型對砌體結構進行模型建立，等效剪切模型見圖4。相比于微觀模型，這種等效剪切模型既可滿足易損性計算的要求，又減少了計算量，提高了計算效率。動力分析選用考慮剛度退化的三線性恢復力模型[14-15]，恢復力模型見圖5。該模型可以較精確地描述帶構造柱磚墻片的滯回關系，許多學者基于該模型對砌體結構進行了地震易損性分析并驗證了可靠性[16-19]。

圖4 等效剪切模型Fig.4 Diagram of equivalent shear model

圖5 恢復力模型Fig.5 Resilience model

為保證IDA分析計算的準確性，需確定一個合理有效的地震動強度指標和一個結構損傷指標[20]。

3.2 地震動的選擇

為減少地震動的不確定性對結構地震易損性分析的影響，參考美國ATC-63報告中建議的選波原則[21]，在美國太平洋地震研究中心的強震動記錄數據庫中選取了20條地震動記錄。選取的地震動記錄見表2。考慮到等效剪切模型計算速度較快和等步長法操作計算方式簡單且易于在程序中實現的特點，本文采用等步長法，每個模型進行IDA分析時的調幅步長為0.025g。

表2 選取的地震動記錄Tab.2 Selected ground motion records

根據相關研究，地震峰值加速度Apg指標在短周期建筑結構相關性較高，相關性隨著結構周期的增大逐漸降低[22]。砌體結構周期一般不高于0.4 s，屬于短周期結構，因此選取Apg作為地震動強度指標。

3.3 結構性能狀態劃分

結構損傷指標的適用性和準確性直接影響著易損性曲線的形狀及其條件超越概率。國內外學者多采用位移指標作為地震易損性的損傷指標。位移指標包括最大層間位移指標和最大層間位移角指標[23]。結構最大層間位移角θmax可以反映結構形式、材料、層高和損傷等因素的影響，因此本文選取最大層間位移角θmax作為結構損傷指標。基于中國《建筑抗震設計規范》[24]小震不壞、中震可修、大震不倒的三水準設防要求，結合李佳、熊立紅對砌體墻片破壞等級的劃分[25-26]，在砌體房屋總高度與總寬度的最大比值不超過2.0時，本文把砌體結構的性能狀態劃分為4個等級，即正常使用、輕微破壞、中等破壞和嚴重破壞，各性能狀態的層間位移角限值見表3。

表3 各性能狀態的層間位移角限值Tab.3 Inter-story displacement angle limits for each performance status

3.4 地震易損性分析

采用有限元軟件對結構-地震動樣本開展增量動力分析，可以獲得在不同地震動強度下砌體結構的最大層間位移角θmax。地震動記錄不同，IDA曲線會呈現出一定的離散性，為準確反映結構在不同地震作用下的抗震能力，可根據IDA分析結果繪制易損性曲線，基于結構破壞概率來評估其抗震安全性能，從而降低這種離散性[20]。

地震易損性是指結構在不同地震動強度下，發生不同程度破壞的可能性，也就是結構達到某個預定極限狀態或性能水平的概率，通常用易損性曲線或易損性矩陣來表示[27]。本文采用前面增量動力分析得到的最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg來建立結構的地震易損性曲線[20]。

研究表明[28]，結構最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg服從式(1)。對增量動力分析得到的最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg分別取對數，然后進行線性回歸分析，可得到如式(2)所示的地震需求概率模型，式中a、b為回歸系數。

(1)

ln(θmax)=ln(a)+bln(Apg)

(2)

設結構最大層間位移角θmax和地震峰值加速度Apg均服從對數正態分布[29]，結構在不同極限狀態下的失效概率Pf為

(3)

選取地震峰值加速度Apg為橫坐標，選取不同地震動強度作用下結構的最大層間位移角超越各個極限狀態限值的條件概率作為縱坐標，即可進行結構地震易損性曲線的繪制[21]。

3.4.1 構造柱間距的影響

為研究構造柱間距對用拆除墻段建造的磚砌體結構地震易損性的影響，以基本結構模型為基礎并僅改變構造柱間距，1號、2號和3號模型的構造柱間距分別為2、3、6 m，由IDA分析得到的對應地震需求概率模型的數學表達式為：

ln(θmax-1)=-6.014+0.927ln(Apg)

(4)

ln(θmax-2)=-6.101+0.930ln(Apg)

(5)

ln(θmax-3)=-6.153+0.932ln(Apg)

(6)

計算分析所得的地震易損性曲線見圖6。

根據圖6中的易損性曲線，作出不同構造柱間距磚砌體結構的地震破壞矩陣，具體見表4。

圖6 不同構造柱間距結構的易損性曲線Fig.6 Vulnerability curves of masonry structures with different column spacing

表4 不同構造柱間距結構的地震破壞矩陣Tab.4 Seismic damage matrix of masonry structures with different column spacing %

由圖6可以看出，隨著Apg的增加，用拆除墻段建造的磚砌體結構模型發生破壞的超越概率逐漸增大。三個模型發生輕微破壞的易損性曲線的斜率均比較大，即結構在地震作用下，很容易就超過彈性極限狀態。隨著Apg的增加結構繼續發生破壞，易損性曲線的斜率逐漸減小，結構開始進入屈服階段繼續抵抗地震作用。由表4可知，當Apg為0.2g時，1號、2號和3號模型超越輕微破壞的概率分別為37.36%、29.05%和24.51%；當Apg為0.8g時，1號、2號和3號模型超越嚴重破壞的概率分別為9.79%、6.52%和5.02%。由此表明，隨著構造柱間距的減小，磚砌體結構發生超越各個極限狀態限值的概率逐漸降低，結構的抗震性能逐步提高，即合理設置構造柱可顯著提高砌體結構的抗震性能。

3.4.2 結構層數的影響

為研究結構層數對用拆除墻段建造的磚砌體結構地震易損性的影響，以基本結構模型為基礎并僅改變結構層數，4號、2號和5號模型的結構層數分別為4、5、6層，由IDA分析得到的對應地震需求概率模型的數學表達式為：

ln(θmax-4)=-5.990+0.892ln(Apg)

(7)

ln(θmax-2)=-6.101+0.930ln(Apg)

(5)

ln(θmax-5)=-6.165+0.900ln(Apg)

(8)

計算分析所得的地震易損性曲線見圖7。

圖7 不同層數結構的易損性曲線Fig.7 Vulnerability curves of masonry structures with different stories

根據圖7中的易損性曲線，作出不同層數砌體結構的地震破壞矩陣，具體表5。

表5 不同層數結構的地震破壞矩陣

由圖7可以看出，隨著Apg的增加，磚砌體結構房屋發生破壞的超越概率也逐漸增大，4號和2號模型的易損性曲線相差較小，與5號模型的易損性曲線相差較大。由表5可知，當Apg為0.2g時，4號、2號和5號模型超越輕微破壞的概率分別為27.79%、29.05%和45.29%；當Apg為0.8g時，4號、2號和5號模型超越嚴重破壞的概率分別為4.89%、6.52%和11.26%。由對比可知，隨著結構層數的增加，砌體結構的破壞概率逐漸增大，而且增大幅度較高。相關研究表明，相同地震烈度情況下，磚砌體結構的層數越多、總高度越大，砌體結構就越容易發生破損或倒塌。建議拆除墻段再利用時，結構總層數和總高度不宜超過GB 50011的規定，保證砌體結構的抗震性能。

3.4.3 砌體強度的影響

為研究磚砌體強度對用拆除墻段建造的磚砌體結構地震易損性的影響，以基本結構模型為基礎并僅改變拆除墻片的抗壓強度平均值，6號、2號和7號模型墻片的抗壓強度平均值分別為2.90、3.33、4.19 MPa，由IDA分析得到的對應地震需求概率模型的數學表達式為：

ln(θmax-6)=-6.053+0.880ln(Apg)

(9)

ln(θmax-2)=-6.101+0.930ln(Apg)

(5)

ln(θmax-7)=-6.268+0.898ln(Apg)

(10)

計算分析所得的地震易損性曲線見圖8。

圖8 不同磚砌體強度結構的易損性曲線Fig.8 Vulnerability curves of masonry structures with different strength of brick masonry

根據圖8中的易損性曲線，作出不同磚砌體強度結構的地震破壞矩陣，具體見表6。

表6 不同磚砌體強度結構的地震破壞矩陣

由圖8可以看出，隨著Apg的增加，磚砌體結構房屋發生破壞的超越概率也逐漸增大，6號和2號模型的易損性曲線相差較小，與7號模型的易損性曲線相差較大。由表6可知，當Apg為0.2g時，6號、2號和7號模型超越輕微破壞的概率分別為40.98%、29.05%和20.09%；當Apg為0.8g時，6號、2號和7號模型超越嚴重破壞的概率分別為8.65%、6.52%和2.80%。由對比可知，在相同Apg的情況下，隨著磚砌體強度的提高，砌體結構發生輕微破壞、中等破壞和嚴重破壞的概率顯著降低。也就是說，磚砌體強度對砌體結構抗震性能有著較大的影響，用拆除墻段建造新的磚砌體結構實踐中應避免低強度墻段的使用。

4 結 論

1) 構造柱間距的減小可明顯提高砌體結構的抗震性能。拆除墻段間的水平連接是通過“端面孔口+水平植筋+構造柱”來實現的，與普通砌體結構相比，使用拆除墻段建造的磚砌體結構的構造柱間距較一般砌體結構小，在進行抗震設計時應合理考慮構造柱間距的減小對抗震性能的提高。

2) 相同地震烈度情況下，砌體結構的層數越多、總高度越大，砌體結構就越容易發生破損或倒塌。需要進一步研究不同設防烈度下不同設計地震分組用拆除墻段建造的磚砌體結構的層數限值和墻體的平均應力與抗壓強度比限值。

3) 磚砌體強度對砌體結構的抗震性能有著較大的影響。為保證用拆除墻段建造的磚砌體結構的抗震性能，在用拆除墻段建造新的砌體結構房屋之前，應檢測擬拆除房屋的磚墻、磚墻所用磚塊和砌筑砂漿的力學性能，合理評定拆除墻段的力學性能及完好性，選擇狀況良好的墻片作為拆除再利用對象。