高校典型砌体宿舍楼抗震安全性能评估

庄裕林，肖峻峰，吴盼盼

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

由于砌体结构施工方便、造价较低，在过去的很长一段时间被作为高校多层宿舍楼的主要结构形式，但因其抗弯、抗剪、抗压的能力较差，在地震作用下更易发生破坏[1]，给人们的生产生活造成巨大的灾难。对于砌体结构的抗震安全性能，国内许多学者也做了相应的研究[2-5]，近年来，随着我国中小学校舍抗震鉴定与加固工作的全面展开[6，7]，对许多砌体结构房屋进行了安全性能检测及加固，但对于高校内一些仍在使用的老旧砌体宿舍楼，由于缺乏相关政策要求，导致其未能进行抗震安全性能评估及检测加固。针对上述问题，本文对安徽某高校典型宿舍楼抗震安全性能进行研究，通过模拟宿舍楼在不同抗震设防烈度下的结构位移反应，为现有及类似老旧砌体宿舍楼的抗震安全鉴定与加固提供参考。

1 工程概况及模型分析

1.1 工程概况

此学生宿舍楼始建于20世纪70代，是典型的砌体结构楼体。通过对研究对象进行现场实测，其中砖和砂浆的强度等级分别为MU10及M7.5，楼板、圈梁及构造柱等构件都是强度等级为C20混凝土，钢筋按构造配筋均采用Ⅰ级钢筋。

为了计算机计算的方便，简化处理了原结构的外形尺寸：在纵向将房间选定为规则的六跨，并且未考虑楼梯间对模型整体抗震性能的影响；门洞的宽高为1700 mm×2500 mm，窗台的高度为1100 mm，纵向上窗洞的宽高为1500 mm×1900 mm；横向上未做简化，与原结构保持相同；高度上只建立四层，层高3280 mm，如图1所示。

图1 砌体宿舍楼结构平面图

1.2 模型建立

本文采用大型通用有限元软件ABAQUS建立三维整体模型[8,9]。由于本文主要研究砌体结构的宏观反应情况，所以在模型的建立当中，是将整个砌体墙体看作各向性质统一且均匀连续单元，不考虑砂浆与砖体间的黏结作用关系，采用类似“素混凝土”来模拟；构造柱及圈梁采用三维实体 C3D8R(8 节点减缩积分单元)来模拟；对于钢筋，则采用T3D2(二次三维桁架单元)进行模拟。模型的构造柱、圈梁以及砖砌体之间的链接约束采用Tie(捆绑)约束；构造柱和圈梁中的钢筋是采用Embedded Region(嵌入区域)约束。三维整体模型见图2。

图2 砌体宿舍楼模型

1.3 应力分析

混凝土的应力-应变关系如式(1)和式(2)所示，砌体的应力-应变关系如式(3)所示[10]。

当x≤1时

(1)

当x>1时

(2)

(3)

2 模态分析及时程分析

2.1 模态分析

通过采用ABAQUS/Standard分析模块中的线性摄动分析步(Linear Perturbation)的频率提取分析步进行模态分析，如图3，同时提取前6阶自振周期及振动特征如表1。

图3 二阶扭转模态云图

表1 结构自振周期

由表1可知，房屋的1阶振型是沿房屋水平横向振动，4阶振型和6阶振型是沿竖向振动，由于房屋竖向通常设有门洞及窗洞，因此相比于横向，竖向抗侧结构刚度较小，对房屋整体的抗震性能有一定影响；2阶、3阶、5阶振型中，结构绕竖向扭转程度较大，体现了其抗扭能力较弱，在地震发生时，容易发生倒塌。

2.2 时程分析

时程分析中该选何种地震波是分析问题的关键所在，结合实际场地情况，本文选取与合肥地区场地类别相类似的世界强震记录Taft地震波(N2lE/1952)作为输入地震波，如图4所示。

图4 Taft地震波加速度时程图

此地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g，宿舍楼场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s。因此，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)5.1.2节对时程分析所用的地震波加速度时程的最大加速度的规定：地震影响为多遇地震的6度设防地区加速度时程的最大值为18 cm/s2,地震影响为多遇地震的7度设防地区加速度时程的最大值为35 cm/s2,地震影响为罕遇地震的6度设防地区加速度时程的最大值为125 cm/s2,地震影响为罕遇地震的7度设防地区加速度时程的最大值为220 cm/s2[11]

采用Taft地震波，结合规范中输入地震最大加速度设置如下四个工况进行砌体宿舍楼进行地震反应分析，如表2所示。

表2 工况点设置

沿模型横向、纵向施加Taft地震波，模拟砌体结构在不同地震烈度下地震反应，房屋各层综合位移云图如图5。由图5知，在同一设防烈度下，罕遇地震对房屋的位移影响比多遇地震大，如6度设防烈度下，罕遇地震对其影响的最大位移约为3.51 cm，多遇地震对其影响的最大位移约为0.49 cm。在7度设防烈度下，由于地震加速度峰值的增大，相比于6度设防烈度，楼体的位移普遍增大。且在圈梁及构造柱处出现了应力集中的现象，此说明圈梁及构造柱的设立有利于结构的抗震安全。现提取各楼层层间位移，如图6所示。

图5 不同设防烈度下模型位移云图

本文选取蒋利学、王卓琳等人给出的层间位移角指标作为评估砌体结构墙体有限元模型的抗震性能指标[12]，相应的层间位移角限值如表3所示。

表3 结构破坏与层间位移角关系及各项水平

同时整理了四个工况下层间位移角、安全性能及性能水平，如表4。

由表4可知，在设防烈度为6度的条件下，若发生多遇地震，则楼房层间位移角在1/2118～1/1387之间，此时房屋安全水平等级为“安全”，抗震性能良好；在6度罕遇地震发生时，楼房层间位移角分布范围为1/95～1/190，此时楼房抗震性能破坏严重，安全水平等级为“危及生命”，不具有居住功能；在设防烈度为7度的条件下，发生多遇地震时，房屋层间位移角范围在1/1344～1/355之间，房屋损害严重，易发生倒塌，安全水平为“生命安全”；7度设防条件下，

图6 不同设防烈度下楼层层间位移

表4 结构横向墙体(X向)不同设防烈度下层间位移角及各项水平

发生罕遇地震，房屋层间位移角分布为1/212～1/55，房屋结构严重损坏，会造成重大灾害。结果表明此宿舍楼模型的抗震安全性能较差，应尽快采取加固措施。

3 结论

通过利用有限元软件ABABQUS对砌体结构模型的抗震性能分析，得出如下结论：

1)在同一设防烈度下，罕遇地震较多遇地震的破坏程度更大，不同设防烈度下，地震等级的增大对于砌体宿舍楼的安全威胁也越大；

2)通过对比各层的层间位移可知，砌体宿舍楼的首层位移较其他层大，因此首层结构的安全对于砌体结构整体的安全有着至关重要的作用；

3)在抗震设防烈度为7度的地区，一旦发生6度及6度以上罕遇地震时，老旧砌体宿舍楼将受到严重的破坏，严重危及人们的生命安全。故应对现有此砌体结构建筑采取加固措施或拆除，防患于未然。