文｜昆明市公路工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司 田亞洪；云南省建筑科學(xué)研究院 譚曉晶

引言

近年來(lái)，我國(guó)地震頻繁，如汶川地震、玉樹(shù)地震、魯?shù)榈卣稹⑻J山地震、雅安地震等，給人們?cè)斐闪司薮蟮娜藛T傷亡和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。而這些地震造成的建筑破壞多發(fā)生在農(nóng)村地區(qū)。由于建造成本低廉，施工便捷，砌體結(jié)構(gòu)成為農(nóng)村地區(qū)一個(gè)量大面廣的建筑結(jié)構(gòu)形式。但砌體材料呈脆性，且強(qiáng)度低，在外力作用下容易開(kāi)裂；同時(shí)，農(nóng)村房屋多由農(nóng)民自行建造，缺乏結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和構(gòu)造，因而也容易在地震中遭受破壞。

針對(duì)農(nóng)村房屋抗震性能研究，梁建國(guó)等人提出了滿(mǎn)足一定材料和構(gòu)造要求的免于計(jì)算的、適用于底層磚砌體住宅的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法。該方法對(duì)農(nóng)房建造具有一定的指導(dǎo)意義，但缺乏抗震效果的試驗(yàn)驗(yàn)證。安曉文等人分析了魯?shù)榈卣鹬卸鄬悠鲶w結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)易民居的典型震害，僅給出了相應(yīng)的建議，并未對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造做深入分析研究。李龍師采用Abaqus 有限元軟件對(duì)農(nóng)村砌體房屋進(jìn)行抗震性能研究，并對(duì)其震害進(jìn)行預(yù)測(cè)，用以指導(dǎo)農(nóng)村防災(zāi)減災(zāi)。江道鐠分析了福建省農(nóng)村石砌體結(jié)構(gòu)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(yàn)驗(yàn)證。本文通過(guò)對(duì)農(nóng)村地區(qū)磚砌體房屋的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，設(shè)計(jì)制作了一個(gè)1/2 縮尺結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，旨在對(duì)該地區(qū)典型砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能進(jìn)行研究，以提出相應(yīng)提高其抗震性能的改進(jìn)措施，為農(nóng)村房屋建設(shè)提供參考。

圖1 粉質(zhì)砂土砌筑泥漿

1 試驗(yàn)概況

1.1 砌筑材料

考慮到農(nóng)村房屋多以底層建筑為主，其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，建材強(qiáng)度通常比較低。為保證試驗(yàn)具有一定代表性，試驗(yàn)用砌筑材料采用燒結(jié)普通粘土磚，強(qiáng)度等級(jí)為MU7.5；粘結(jié)材料采用粉質(zhì)砂土泥漿。由于地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異，一些偏遠(yuǎn)落后地區(qū)建房采用了低成本、不摻水泥和細(xì)骨料的泥漿作為粘結(jié)材料（圖1所示）。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該粉質(zhì)砂土泥漿抗壓強(qiáng)度約為1MPa。

1.2 模型制作

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閱螌訂伍_(kāi)間結(jié)構(gòu)，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(xiàn)，模型設(shè)置了圈梁。模型結(jié)構(gòu)的幾何相似比為1/2，具體尺寸如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型尺寸圖

表1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型相似比

1.3 試驗(yàn)相似比

計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)相似比如表1所示。為了滿(mǎn)足試驗(yàn)應(yīng)力相似比要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕喜贾门渲貕K，配重塊質(zhì)量共計(jì)1.25t。

1.4 測(cè)點(diǎn)布設(shè)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼駝?dòng)反應(yīng)采用加速度傳感器和位移傳感器來(lái)測(cè)試。由于地震波的加載方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的縱向，加速度傳感器和位移傳感器均布置在結(jié)構(gòu)軸橫墻上。其中，在①軸橫墻中線(xiàn)不同標(biāo)高處共布設(shè)5 個(gè)加速度傳感器，在軸和軸上下圈梁處分別布設(shè)4 個(gè)位置位移傳感器，在①軸山尖墻頂部布置了1 個(gè)位移傳感器，以測(cè)量結(jié)構(gòu)的層間位移變化和扭轉(zhuǎn)情況。各測(cè)點(diǎn)的布置如圖3所示。

1.5 加載制度

試驗(yàn)加載激勵(lì)分別采用El-Centro（NS,1940）、Taft（N-S,1952）和一條二類(lèi)場(chǎng)地人工地震動(dòng)記錄，并采用正弦掃頻進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)試。每試驗(yàn)工況后均進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性測(cè)試，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)剛度衰減情況。試驗(yàn)共有分9 個(gè)工況，即把地震動(dòng)峰值加速度依次調(diào)整為70gal、200gal、440gal、700gal、800gal、900gal、1000gal、1100gal、1240gal。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)破壞圖

圖5 各測(cè)點(diǎn)在不同地震動(dòng)激勵(lì)下的加速度峰值反應(yīng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度為70gal 和200gal時(shí)，結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)，墻體沒(méi)有出現(xiàn)裂縫。地震動(dòng)峰值加速度為440gal 時(shí)，結(jié)構(gòu)的②軸山尖墻與圈梁連接處出現(xiàn)1 條水平向主裂縫，而當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度增大到700gal 時(shí)，①軸和②軸山尖墻與圈梁連接處均出現(xiàn)水平裂縫，并且原有水平裂縫擴(kuò)展延長(zhǎng)至整個(gè)橫墻墻體；軸和軸縱墻的門(mén)窗洞口的角部出現(xiàn)沿灰縫呈階梯狀的斜裂縫。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)峰值加速度增加到800gal 和900gal 時(shí)，兩山尖墻晃動(dòng)加劇，山尖墻與圈梁之間產(chǎn)生滑移，砂漿壓酥，磚塊掉落，兩縱墻門(mén)窗洞口的角部斜裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸。地震動(dòng)峰值加速度為1000gal和1100gal 時(shí)，兩山尖墻與下部橫墻墻體產(chǎn)生相對(duì)晃動(dòng)，兩縱墻的門(mén)窗洞口角部斜裂縫繼續(xù)擴(kuò)展并延伸至橫墻。地震動(dòng)峰值加速度為1240gal 時(shí)，縱墻裂縫寬度擴(kuò)展最大，結(jié)構(gòu)的最終破壞如圖4所示。

2.2 結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌卣饎?dòng)激勵(lì)下的加速度反應(yīng)如圖5所示。可以看出，測(cè)點(diǎn)3 的加速度反應(yīng)比其他測(cè)點(diǎn)的反應(yīng)都大。沿墻體高度，加速度反應(yīng)逐漸增大，墻體中部的加速度反應(yīng)是最大的，而到達(dá)墻體頂部加速度又減小。

2.3 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著地震動(dòng)峰值加速度增大，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈灰品磻?yīng)也趨大。其中，測(cè)點(diǎn)S5的位移反應(yīng)最大，表明該部位的山尖墻晃動(dòng)較為明顯。從表2可以看出，試驗(yàn)加載到工況4 時(shí)，山尖墻由于晃動(dòng)過(guò)大而坍塌。這是由于山尖墻頂部?jī)H有檁條搭接連接，而檁條無(wú)法起到有效側(cè)向支撐作用，故而由于位移過(guò)大導(dǎo)致破壞。因此在實(shí)際工程中，檁條與墻體的可靠連接是提高墻體穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)。

從表2、表3和表4結(jié)果對(duì)比來(lái)看，在相同地震動(dòng)峰值加速度工況時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谌斯さ卣饎?dòng)激勵(lì)下的位移反應(yīng)最大，在Taft 地震動(dòng)激勵(lì)的位移反應(yīng)次之，在El-Centro 地震動(dòng)激勵(lì)下的位移反應(yīng)最小。在不同地震動(dòng)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)出現(xiàn)明顯差異，這跟結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性與地震動(dòng)特性有關(guān)。頻譜特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性接近的地震動(dòng)，造成的結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)越顯著。

2.4 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性

在每個(gè)試驗(yàn)工況結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行正弦激勵(lì)掃頻，測(cè)得結(jié)構(gòu)自振頻率的變化如表5所示?？梢钥闯觯S著試驗(yàn)工況增加，結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸降低。這就表明結(jié)構(gòu)的剛度逐步降低，損傷逐漸增大。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)農(nóng)村典型砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，模擬其抗震性能，得到如下結(jié)論：

1．地震動(dòng)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)沿著墻體高度逐漸增大，墻體中部加速度反應(yīng)最大，而到了墻體頂部加速度反應(yīng)又降低。

2．人工地震動(dòng)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)最大，Taft 地震動(dòng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)次之，El-Centro 地震動(dòng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)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(dòng)過(guò)大而坍塌，因此實(shí)際工程中該部位連接需采用可靠措施。此外，門(mén)窗洞口的角部是容易發(fā)生破壞的部位，是首先需要考慮加固的部位。

表2 Taft 地震動(dòng)作用下測(cè)點(diǎn)S1、S3 和S5 最大相對(duì)位移（單位: mm）

表3 El-Centro 地震動(dòng)作用下測(cè)點(diǎn)S1、S3 和S5 相對(duì)最大位移（單位: mm）

表4 人工地震動(dòng)作用下測(cè)點(diǎn)S1、S3 和S5 相對(duì)最大位移（單位: mm）

表5 各試驗(yàn)工況后結(jié)構(gòu)的自振頻率