砖混校舍横墙地震破坏机理研究

蒋巍

摘 要：对砖混校舍横墙在地震中的典型震害进行了分析，通过试验对横墙构件的典型破坏模式及破坏机理进行了研究，探讨了砖混校舍横墙的延性。结果表明，墙体发生剪摩破坏时，在摩擦耗能阶段具有稳定的滞回耗能能力，特别是进入剪摩状态后，摩擦力提供了墙体大部分延性，承载力持续稳定，属于理想的破坏模式。

关键词：砖混校舍；横墙；破坏机理；延性；试验研究

引言

砖混结构校舍有别于普通砖混结构住宅，具有大开间、横墙数量很少的典型特点，结构体系的冗余度和安全储备均较低。汶川大地震中砌体结构校舍大量破坏[1]～[3]，部分教学楼严重破坏甚至粉碎性倒塌，造成巨大的生命威胁和财产损失。砖混结构校舍在特大地震作用下的抗倒塌能力成为人们关注的重要问题，现行《砌体结构设计规范》对砖混结构校舍这类特殊的结构形式的抗地震倒塌设计缺少特别的规定。因此，研究横墙的破坏机理及发生条件对于充分发挥墙体的抗震性能以及进一步完善大开间砌体结构的抗震设计等都具有重要意义。

文章结合砖混结构校舍横墙的震害特征，初步分析了震害原因，并通过构件试验对横墙典型破坏模式的形成机理进行了试验研究。

1 砖混校舍横墙典型震害

砖混结构校舍的横墙进深较大，高宽比较小（0.5左右），横向地震作用下，墙体既是抗侧力构件，也是耗能构件。

图1 横墙典型震害

图1为砖混结构校舍横墙的典型震害，地震作用下横墙通常具有剪摩型破坏特征，表现为两端的剪切斜裂缝和中间高度位置的水平剪切滑移裂缝，一般以底层破坏最为严重，其他各层的破坏模式基本相似。

2 震害成因分析

砖混结构校舍一般为3～5层，层高3.6m左右的建筑，地震响应以基本振型为主，这种短周期结构的侧向变形能力非常有限，结构的动力响应对地震动峰值加速度较为敏感。宏观震害调查和试验研究均表明，砖砌体结构的主要破坏形式是层间剪切变形引起的脆性剪切破坏。底层墙体则是因为处于最不利工作状态，因此往往破坏也最为严重。

横墙构件进深大、高宽比小以及轴压比小等特点决定了其具备剪摩破坏的发生条件。

文章按照1/2的缩尺比例制作试件，通过拟静力试验对横墙的抗震性能和典型破坏的形成机理进行了研究。

2.1试验概况

墙体试件设计参数如表1所示。墙体试件采用规格为240mm×115mm×53mm的标准烧结页岩砖和混合砂浆砌筑而成，设计强度分别为MU10和M10，构造柱混凝土设计强度C25。HQ、ZQ-2和ZQ-3试件构造柱中纵筋均为4φ8，箍筋φ6@150，局部加密，HQ顶梁截面高90mm，纵筋4φ10。竖向荷载取为0.8MPa，试件轴压比0.15。在水平荷载作用之前将竖向力加至预定值并保证其持续恒载直至试验结束，水平荷载施加采用力和位移混合控制，即墙体开裂前以20kN（横墙试件）或10kN（纵墙试件）为级差荷载控制加载，每级循环1次，裂缝出现后以开裂位移的整数倍进行位移控制加载，每级循环2～3次，直到承载力严重下降或无法进一步加载。

表1 试件参数和结果

2.2 试验结果及分析

当荷载达到420kN时，首先在墙体底部沿第一皮砖下表面出现初始裂缝，为弯曲型变形裂缝，墙体开裂位移Δ=0.3mm。9Δ位移正向加载过程中，主拉应力失效造成墙体表面突然出现两条大致呈45°方向分布的平行剪切型斜裂缝，反向加载形成另一条斜裂缝，墙体峰值荷载达到670.2kN，剪切破坏是脆性破坏，造成承载力的突然下降。10Δ加载阶段，墙体表面主裂缝贯通，进一步增大位移后试件进入摩擦耗能状态，变形主要表现为斜裂缝的交替闭合和中间水平滑移裂缝的摩擦变形，主斜裂缝宽度增大，同时底部两条斜裂缝新增多条呈带状分布的次生裂缝。横墙试件整体表现出剪摩型破坏的特征，最终破坏状态和滞回曲线见图2a、b，裂缝状态分布与实际震害较为一致，破坏过程经历开裂、极限承载力状态和剪摩状态三个阶段，在进入临界剪摩状态之前靠材料的强度破坏耗能，滞回环狭窄，中间摩擦滑移裂缝的出现会造成承载力的突然下降，但此后墙体很快进入稳定的摩擦耗能状态，滞回曲线由反“S”形向“纺锤”形过渡，主要靠摩擦而不是破坏实现耗能发挥墙体的抗震性能，因此属于比较理想的耗能模式。

2.3 破坏特点分析

当位移达到一定程度时，墙体首先沿阶梯形灰缝在两对角位置各出现一条大致呈45°分布的斜向裂缝，两条斜裂缝之间的墙段在中部附近位置形成抗剪薄弱面，反向加载过程中发生直剪破坏，产生一条滑移裂缝（图3a）。继续增大位移时墙体沿对角新增两条剪切裂缝，并与直剪裂缝相交后形成贯通裂缝，此时墙体被明显分为四块（图3b），在进一步的反复加载过程中墙体试件的变形主要表现为两组斜裂缝的交替闭合和沿水平滑移裂缝的滑移，表明试件进入摩擦变形状态，该试件的破坏模式可称之为剪切-摩擦破坏（简称剪-摩破坏），墙体的主裂缝分布状态与实际震害较为一致。随位移的不断增加，斜裂缝宽度不断增大，同时下部两条斜裂缝附近墙体中新增多条次生裂缝，砖块酥碎，裂缝在较大范围内呈带状分布，构造柱端部剪切破坏形成塑性铰后中部发生明显的外鼓变形（图3c），因而对破坏墙块的约束作用明显减弱，进一步加载时两侧的破坏墙块不断被推出，试件发生较大的残余变形，导致墙体在极限变形之后的垮塌破坏较快。

横墙类型的构件具有悬臂深梁平面应力状态的受力特征，由于墙体高宽比较小，面内变形能力非常有限，弯矩作用并不明显，在达到极限承载力之前剪应力起控制作用，因此主要靠材料的强度破坏实现耗能，进入剪摩状态后靠沿中间灰缝的干摩擦实现稳定耗能，使结构沿处于一种破坏安全极限状态。根据摩尔库仑准则，在高度非线性变形区域，摩擦力提供了大部分的延性。

3 砖混结构横墙的延性

延性是反映结构和构件变形能力、安全储备水平和耗能能力高低的重要指标，一般指结构或构件发生较大的变形而承载力却未明显降低，当结构遭遇地震作用时，结构的变形能力得到维持。对砖混结构而言，由于墙体组成材料的脆性等原因，砖混教室中的墙体构件本身不具有延性或延性较差，结构的延性即结构整体破坏后发生很大变形而不倒塌的能力，对于横墙而言，主要是通过合理的破坏模式（如横墙剪摩破坏），利用摩擦耗能实现相当的延性。

4 结束语

砖混结构校舍横墙的进深较大， 高宽比较小，按照规范要求配置构造柱同时保证墙体与基础梁之间不发生剪切滑移或受拉脱开时，墙体发生剪-摩型破坏且滑移裂缝较长，摩擦耗能阶段墙体具有稳定的滞回耗能能力，特别是进入剪摩状态后，摩擦力提供了墙体大部分延性，承载力持续稳定，属于理想的耗能机制。

参考文献

[1]王立成.汶川地震后学校砌体建筑结构破坏情况调查与分析[J].大连理工大学学报，2009，49（5）：650-656.

[2]徐有邻.汶川震害的教训—教学楼倒塌的反思[J].建筑结构，2009，11（39）：50-53.

[3]林树枝，李刚，程耿东.提高学校建筑抗震能力的对策建议[J].大连理工大学学报，2009，49（5）：644-649.