圈梁構造柱約束砌體結構的抗震性能分析

于泳洋（京國電中興電力建設工程有限公司，北京 102488）

砌體結構由于其具有就地取材、保溫隔熱效果好、耐久性強等特點，在我國民用建筑中得到大量使用，特別是在城鎮和農村的底層建筑中使用占比較高[1]。砌體結構自身也存在自重大、體積大、抗震性能差等特點，在國內眾多地震災區中有實際案例表明，砌體結構房屋的破壞程度或倒塌數量遠遠高于框架結構或者剪力墻結構，調查其中少數裂而不倒的砌體結構容易發現，這些建筑物中存在一定的圈梁結構或者構造柱結構，正是這些抗震輔助措施使得此類建筑破壞機制變得更加有利，因此，合理的結構布局，在砌體結構中加入構造柱或者圈梁結構以提高結構的抗震性能是一種新的解決途徑[2-3]。盡管如此，國內大量的研究均集中在高層建筑、超高層建筑中，這些結構擁有抗震性能強的剪力墻結構、框剪結構或筒中筒結構，而對于中低層砌體結構的抗震性能研究較少，但這類建筑在我國的建筑數量卻更為龐大[4]。基于此，以北京市某國電工程3層砌體結構建筑為研究對象，運用ABAQUS軟件建立三維計算模型，考慮了4 種不同的約束條件，分析結構在地震波作用下的位移響應和剪應力響應特征，研究成果可以用于城鎮或農村中低層砌體結構建筑的設計和施工。

1 不同約束條件的砌體結構數值模型計算

為研究砌體結構在圈梁構造柱約束條件下的抗震性能，研究選取北京市某國電工程3層砌體結構的建筑為研究對象，項目結構砌體墻厚度為250mm，構造柱尺寸為300mm×250mm，構造圈梁尺寸為250mm×250mm，構造柱與構造圈梁均為C35 混凝土，場地特征為II 類，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組。研究運用ABAQUS 軟件建立三維計算模型，分析結構在地震波作用下的位移響應和剪應力響應特征。計算時考慮了4 種不同的約束條件，分別為工況A：有圈梁有構造柱約束的砌體結構、工況B：無圈梁有構造柱約束的砌體結構、工況C：有圈梁無構造柱約束的砌體結構、工況D：無圈梁無構造柱約束的其他結構。由于砌體結構具有各向異性的特點，計算中選用受壓對數本構模型進行砌體結構的變形計算，該本構關系可以較為準確地反應砌體在三維應力作用下的壓縮壓碎以及剪壓狀態下的破壞，其本構關系如公式（1）所示[5]。

式中ξ為砌塊墻體與砂漿的綜合彈性模量特征值；ε為砌塊墻體的受壓應變；σ 為砌塊墻體的正應力；fk為砌塊墻體的抗壓強度標準值。

混凝土圈梁和構造柱選用混凝土損傷塑性模型進行分析計算，其本構關系屬于分段函數，如公式（2）所示[6-7]。

式中αa為混凝土單軸受壓應力-應變曲線上升段的參數值；αd為混凝土單軸受壓應力-應變曲線下降段的參數值；x為混凝土單軸受壓應變歸一化值；y為混凝土單軸受壓應力歸一化值；εc為混凝土的單軸抗壓強度峰值對應的壓應變；fc為混凝土的單軸抗壓強度。

為了更為準確地計算結構的受力和變形，基于ABAQUS單元模擬庫中的三維實體單元C3D8R進行網格單元劃分，劃分方法為自由化網格劃分，可以對結構單元進行任何幾何形狀的分割。計算加載的方式為單調加載，以水平位移控制為準則在墻體頂部的加載梁上施加地震波，砌體墻和構造梁、構造柱之間的約束關系均采用軟件約束模塊Tie約束進行模擬，不考慮墻體的平面外變形，鋼筋則采用Embed REGION 的方式嵌入砌體墻中，通過逐步增加荷載的方式迭代計算，每個荷載增量步計算結束時尋求近似的平衡構型，并于軟件中自動懸著的荷載增量與收斂速度控制迭代計算中的殘差力和殘差位移，當殘差容許值小于規定值時則認為計算達到了收斂條件[8]。

由于地震動具有很大的隨機性，計算采用的地震波峰值應在一定程度上滿足常遇地震或罕遇地震的峰值要求，地震波的頻譜特征能夠真實反映場地的地震動特征，使得地震波的卓越周期與場地的特征周期應相近，此外考慮地震持續時間能夠滿足結構在地震波作用下持續發生變形和損傷，最終導致結構的破壞[9-12]。綜合考慮分析，數值計算選用EL-Centro 地震波作為結構罕遇地震作用下的動力荷載，地震波持續時間為30s，最大加速度為0.21m/s2，地震波的加速度時程曲線如圖1所示。

圖1 EL-Centro地震波加速度時程曲線

2 地震作用下砌體結構位移響應分析

砌體結構的抗裂和抗剪性能較差，當地震波出現時，結構劇烈的振動極易引發其拉力和剪力集中，加大其位移，使其出現拉裂和剪碎。圖2為4種不同約束條件下砌體結構的位移時程曲線。從圖2中可以看出，4種不同約束工況的砌體結構位移振動初至時間均大致相同，約為1.9s，且位移時程曲線均在8s、12s、23s和29s附近出現位移振動波包，而在16s 附近的位移較小，對比圖1中地震加速的波包出現時間可知，砌體結構的位移峰值波包出現時間明顯延遲；工況A 的最大位移值為3.86mm，工況B的最大位移為4.20mm，相比于工況A增幅為8.8%，工況C 的最大位移為5.46mm，相比于工況A 增幅為41.45%；工況D 的最大位移為7.4mm，相比于工況A 增幅為91.71%。由此可以看出，有構造柱有圈梁的砌體結構位移明顯的比其他工況小，而無構造柱無圈梁的砌體結構位移最大，無圈梁有構造柱砌體結構比有圈梁無構造柱砌體結構的位移略小，表明圈梁和構造柱可以很有效約束地震波荷載作用下的砌體結構位移，且圈梁的約束效應大于構造柱的約束效應。

圖2 4種不同約束條件下砌體結構的位移時程曲線

3 地震作用下砌體結構底部剪力分析

結構的剪力指標是衡量砌體結構抗震性能的重要指標之一，圖3為4種不同約束條件下砌體結構底部的剪力時程曲線。從圖3中可以看出，工況A、工況B 和工況C的剪力時程曲線均呈現明顯的波包，工況A的剪力波包出現的時間分別位于7.7s、11s、22s 和28.6s 附近，在時間15s 位置附近出現剪力極小值；工況B 的剪力波包出現的時間分別位于6.9s、12.3s、20.6s 和28.6s附近，在時間16.6s、25s位置附近出現剪力極小值；工況C的剪力波包出現的時間分別為10s、17.8s和27s附近，在時間15s 和21s 位置附近出現剪力極小值；工況D 的剪力波包出現的時間為13s，無明顯的極小值。工況A和工況B 的剪力初至時間相近，約為2.5s，而工況C 和工況D 的剪力初至時間相近，且滯后于工況A 和工況B，約為4.1s。工況A 的砌體結構底部剪力最大值為491.83kN，工況B 的砌體結構底部剪力最大值為686.73kN，相比于工況A 增幅為39.62%；工況C 的砌體結構底部剪力最大值為635.92kN，相比于工況A 增幅為29.29%；工況D 的砌體結構底部剪力最大值為832.83kN，相比于工況A增幅為69.33%。

圖3 4種不同約束條件下砌體結構底部的剪力時程曲線

綜合分析表明，存在有圈梁和構造柱約束的砌體結構底部剪力最小，而存在圈梁或存在構造柱的砌體結構底部剪力次之，無圈梁和無構造柱砌體結構的底部剪力最大，圈梁和構造柱約束可以有效改善底部剪力情況，同時，存在構造柱的砌體結構剪力時程曲線初至時間早于存在圈梁的砌體結構剪力時程曲線初至時間，表明圈梁可以提高結構的抗剪切強度和剛度，提高對結構的抗震能力。

4 結語

以北京市某國電工程3 層砌體結構建筑為研究對象，運用ABAQUS 軟件建立三維計算模型，考慮了4 種不同的約束條件，分析結構在地震波作用下的位移響應和剪應力響應特征，得到以下結論：

（1）不同約束工況的砌體結構均在8s、12s、23s 和29s附近出現位移振動波包，而在16s附近的位移較小，對比地震加速的波包出現時間可知，砌體結構的位移峰值波包出現時間明顯延遲。

（2）圈梁和構造柱可以有效約束地震波荷載作用下的砌體結構位移，且圈梁的約束效應大于構造柱的約束效應。

（3）存在有圈梁和構造柱約束的砌體結構底部剪力最小，而存在圈梁或存在構造柱的砌體結構底部剪力次之，無圈梁和無構造柱砌體結構的底部剪力最大，圈梁和構造柱約束可以有效改善底部剪力情況。

（4）存在構造柱的砌體結構剪力時程曲線初至時間早于存在圈梁的砌體結構剪力時程曲線初至時間，表明圈梁可以提高結構的抗剪切強度和剛度，提高對結構的抗震能力。