针对砖混结构的支撑加固方案设计及应用

王海潮 ，王国新

（1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学 建设工程学部水利工程学院 工程抗震研究所，辽宁 大连 116024）

0 引言

砖混结构作为我国主要的建筑结构形式之一，自上个世纪70年代以来被广泛应用于各类建筑工程中，曾一度占建筑总量的六成以上[1]。但随着大量的工程实践，其砌体材料抗弯、抗剪和抗拉性能差，砂浆粘结力弱，整体性一般的缺点逐渐显现。历次的地震灾害统计也表明，砖混结构在地震作用下容易发生损坏或坍塌，抗震性能较差，因此针对砖混结构进行震前加固具有重要意义。木支撑结构具有取材加工方便，操作简单快捷，结构体系稳定等特点，可以快速高效地应用于各类空间尺寸的砖混结构中，增强建筑抗震性能。本文依据砖混结构破坏特点，设计了两类支撑形式，通过地震荷载作用下的动力时程分析，研究多种工况条件下砖混结构的破坏形式及特点，对比不同地震强度下支撑结构对砖混结构的抗震加固效果，从而为工程实际提供参考。

1 支撑结构的模型模拟

1.1 支撑的结构尺寸

本文依据砖混结构的破坏特点，设计了“窗”式和“门”式两类支撑，其外部整体尺寸根据后文中砖混结构模型的布置需求确定，内部构件截面均为矩形，具体结构形式如下。

“窗”式支撑整体尺寸为1.5m×1.2m，立柱及横梁宽150mm，内部斜撑宽100m，整体厚度与墙体一致取240mm。“门”式支撑整体尺寸为5.76m×3.18m，立柱、横梁及斜撑均为300mm×300mm。

图1 支撑结构示意图Fig.1 Diagram of timber support

1.2 支撑的材料参数

木材具有显著的各向异性特征，本文将其简化为正交各向异性材料[2-3]，以X、Y、Z轴分别代表木材顺纹纵向、横截面径向及横截面弦向三个方向。选用花旗松作为支撑结构用材，根据文献[4]中测得的花旗松相关参数，其木材弹性参数见表1。

考虑到木材作为正交各向异性材料，在各方向上的拉压屈服强度不一致，本文采用广义Hill准则[5]分析木材的弹塑性。确定花旗松各向屈服应力如表 2 所示[4、6]。

表1 木材弹性常数

表2 木材屈服应力

2 砖混结构的模型模拟

2.1 砖混结构的尺寸及材料参数

本文依据农村地区常见砖混住宅建筑特点，选用三层砖混结构，该结构层高3.3m，墙厚240mm，预制楼板厚120mm，构造柱尺寸为240mm×240mm。砖墙采用MU10烧结普通砖和M7.5混合砂浆砌筑，楼板及构造柱混凝土强度等级为C25，构造柱内纵筋采用 4Φ12，箍筋为Φ8@200。结构平面布置情况如图2所示。

在ABAQUS中，砌体和混凝土部分采用三维实体建模，选择C3D8R[7]单元模拟进行网格划分，钢筋采用T3D2单元建模，选择Truss单元划分网格并嵌入（Embed） 到对应构件中。

图2 模型平面布置图Fig.2 Floor plan of the model

2.2 砖混结构的材料本构关系

本文采用混凝土损伤塑性模型（CDP模型）建立混凝土及砌体部分材料的本构关系。其中混凝土的单轴受拉（压）应力-应变关系依据混凝土结构设计规范[8]C.2.4（C.2.3） 选用；砌体材料的受压本构关系选用杨卫忠[9]模型，受拉本构关系参照文献[10]选用；钢筋认为是理想弹塑性材料，采用强化二折线模型。

2.3 地震波的选取与调幅

本文选用EL CENTRO波，截取前其20s的波形作为地震动输入。采用双向地震动加载，其中Z向（横墙）地震波最大幅值分别取125 cm/s2、220 cm/s2、400cm/s2，X向（纵墙） 最大幅值为Z向的0.85倍。

2.4 支撑布置位置设计

针对砖混结构中开洞墙体为薄弱环节，震损严重的特点，本文所设计的支撑围绕开洞墙体布置。其中“窗”式支撑布置在窗洞口内，与墙体平齐；为尽可能保证房门通行，“门”式支撑布置在开门洞墙体内侧，与墙体平行。具体布置方式如图3所示。其中绿色为砖混结构，蓝色为支撑结构。

图3 支撑布置示意图Fig.3 Diagram of timber shoring position

3 支撑加固对砖混结构的抗震性能影响

本文以砖混结构中的砖墙部分作为主要研究对象，考虑到砖砌体属于脆性材料，易发生受拉破坏，而受压破坏影响相对较少，故本文选用受拉损伤来表征结构的破坏位置及大小[12]。在实际软件模拟中，利用受拉损伤参数云图（DAMAGET）模拟结构损伤及裂缝出现的位置及大小，相应的受拉损伤参数反映了结构单元的破坏程度[12]。

损伤云图（图4） 结果表明：砖混结构破坏主要发生在门窗洞口处，一层底部墙体处，建筑拐角和墙体连接处，同时底部楼层破坏程度明显高于上部楼层，破坏特点与实际震害表现相符；随着地震强度增大，结构损伤不断加剧，在PGA等于125cm/s2时损伤出现在墙角及窗口处，220cm/s2时损伤面积增大并在一层出现贯穿裂缝，而PGA增大到400cm/s2时结构的一层已出现大面积损伤破坏。对比损伤云图，可以发现，布置支撑能够减小砖混结构的震后损伤破坏，但在不同强度地震作用下，支撑的抗震加固效果存在差异。

3.1 墙体受拉损伤参数

砖混结构中开洞墙片受损严重，为主要研究目标，本文限于篇幅仅以①轴墙体为例，提取其平均受拉损伤参数时程曲线（图5），从图中可以看出，仅增大PGA对砖混结构墙体的损伤时程发展规律影响不大，各工况条件下模型墙体的损伤破坏主要是在地震波加载1s后产生，在1.5s～5.5s时迅速发展，到达峰值后基本保持稳定。对比来看，各加固方案下的墙体损伤曲线均低于对应地震动强度下的无支撑结构，说明布置支撑可以减小墙体震后的损伤破坏，但具体加固效果有着一定的差异。

提取第20s时各墙体的平均受拉损伤参数值（表3），结果表明：受结构平面两方向上刚度大小及输入地震波强弱的影响，横墙受损程度要大于纵墙，同时下部楼层破坏远大于上层；针对破坏最严重的一层，布置支撑在PGA等于125cm/s2时可以降低墙体72%～82%的损伤，220cm/s2时可以降低10%～40%的损伤，而PGA增大至400cm/s2时仅可以降低2%～18%的损伤，说明随着地震动强度的增大，支撑对砖混结构的加固效果逐渐减弱。

3.2 受拉损伤面积百分比

为了更方便的判断砖混结构整体的破坏程度以及支撑加固后的性能水平，本文以各层墙体的受拉损伤面积百分比作为评价指标，参考文献[13]中的划分标准（表4），对各工况下的砖混结构进行数据统计，对比分析表5中的数据可以发现：

图4 结构受拉损伤云图Fig.4 Structural tensile damage cloud

图5 墙体受拉损伤参数Fig.5 Parameter of wall tensile damage

表3 墙体受拉损伤参数比

布置支撑可以减小砖混结构中墙体的震后损伤面积，在PGA为125cm/s2的地震作用下结构仍处于正常使用状态，布置支撑可大幅减少（77%以上）薄弱处出现的损伤面积，加固效果显著；在220cm/s2时结构出现中等破坏，布置支撑可将结构墙体加固至轻微破坏，有效降低（22%以上） 破坏面积；在PGA达到400cm/s2时结构已接近倒塌，布置支撑的帮助相对有限（3%～9%），结构的性能水平未发生明显改善。

表4 损伤面积百分比限值

表5 受拉损伤面积百分比

3.3 层间位移角

布置支撑增强了砖混结构的整体性，对其震后位移变形的减小有一定效果。依据文献[14]中针对多层砌体结构总结的层间位移角限值（表6）进行划分，表7中给出了各工况条件下砖混结构的震后层间位移情况，可以看出：结构的最大层间位移发生在一层沿横墙方向，PGA等于125cm/s2时原结构及支撑加固结构都处于完好状态；220cm/s2时原有结构处于中等破坏状态，而布置支撑后结构改善至轻微破坏状态；400cm/s2时两类结构都已严重破坏接近倒塌。

表6 层间位移角限值

表7 层间位移角

上述结果表明：在控制位移变形方面，支撑受限于自身的材料、结构性能对砖混结构的整体性能提升有限，在强烈地震动作用下，砖混结构变形逐渐加大，支撑的加固效果由35%逐渐降至7%，加固效果的减弱较为明显。

4 结论

本文依据砖混结构破坏特点，设计了两类支撑形式，通过地震荷载作用下的动力时程分析，选取受拉损伤参数平均值、受拉损伤面积百分比和最大层间位移角作为衡量指标，研究多种工况条件下砖混结构的破坏形式及特点，对比支撑结构对砖混结构的抗震加固效果，得出以下结论：

（1）砖混结构破坏主要发生在门窗洞口处，一层底部墙体处，建筑拐角和墙体连接处，与实际震害表现相符，在相应薄弱构造处布置支撑结构是合理且必要的。

（2） 两类支撑结构搭配使用对砖混结构有着较好的加固效果，可以有效控制结构的位移变形，降低墙体的损伤破坏；在地震波最大加速度幅值125cm/s2时，布置支撑可以减小61%以上的破坏面积，降低35%以上的层间变形；在220cm/s2时，布置支撑可以减小22%以上的破坏面积，降低15%以上的层间变形；在400cm/s2时，布置支撑可以减小7%以上的破坏面积，降低9%以上的层间变形。

（3） 随着地震动强度的增大，砖混结构的损伤不断加剧，支撑结构受限于自身的材料、结构性能以及作为附加构件对砖混结构整体性能提升有限，支撑的加固效果会逐渐减弱，因此在应用过程中需依据实际状况对加固效果进行谨慎评估。