圈梁构造柱约束砌体结构的抗震性能分析

于泳洋（京国电中兴电力建设工程有限公司，北京 102488）

砌体结构由于其具有就地取材、保温隔热效果好、耐久性强等特点，在我国民用建筑中得到大量使用，特别是在城镇和农村的底层建筑中使用占比较高[1]。砌体结构自身也存在自重大、体积大、抗震性能差等特点，在国内众多地震灾区中有实际案例表明，砌体结构房屋的破坏程度或倒塌数量远远高于框架结构或者剪力墙结构，调查其中少数裂而不倒的砌体结构容易发现，这些建筑物中存在一定的圈梁结构或者构造柱结构，正是这些抗震辅助措施使得此类建筑破坏机制变得更加有利，因此，合理的结构布局，在砌体结构中加入构造柱或者圈梁结构以提高结构的抗震性能是一种新的解决途径[2-3]。尽管如此，国内大量的研究均集中在高层建筑、超高层建筑中，这些结构拥有抗震性能强的剪力墙结构、框剪结构或筒中筒结构，而对于中低层砌体结构的抗震性能研究较少，但这类建筑在我国的建筑数量却更为庞大[4]。基于此，以北京市某国电工程3层砌体结构建筑为研究对象，运用ABAQUS软件建立三维计算模型，考虑了4 种不同的约束条件，分析结构在地震波作用下的位移响应和剪应力响应特征，研究成果可以用于城镇或农村中低层砌体结构建筑的设计和施工。

1 不同约束条件的砌体结构数值模型计算

为研究砌体结构在圈梁构造柱约束条件下的抗震性能，研究选取北京市某国电工程3层砌体结构的建筑为研究对象，项目结构砌体墙厚度为250mm，构造柱尺寸为300mm×250mm，构造圈梁尺寸为250mm×250mm，构造柱与构造圈梁均为C35 混凝土，场地特征为II 类，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组。研究运用ABAQUS 软件建立三维计算模型，分析结构在地震波作用下的位移响应和剪应力响应特征。计算时考虑了4 种不同的约束条件，分别为工况A：有圈梁有构造柱约束的砌体结构、工况B：无圈梁有构造柱约束的砌体结构、工况C：有圈梁无构造柱约束的砌体结构、工况D：无圈梁无构造柱约束的其他结构。由于砌体结构具有各向异性的特点，计算中选用受压对数本构模型进行砌体结构的变形计算，该本构关系可以较为准确地反应砌体在三维应力作用下的压缩压碎以及剪压状态下的破坏，其本构关系如公式（1）所示[5]。

式中ξ为砌块墙体与砂浆的综合弹性模量特征值；ε为砌块墙体的受压应变；σ 为砌块墙体的正应力；fk为砌块墙体的抗压强度标准值。

混凝土圈梁和构造柱选用混凝土损伤塑性模型进行分析计算，其本构关系属于分段函数，如公式（2）所示[6-7]。

式中αa为混凝土单轴受压应力-应变曲线上升段的参数值；αd为混凝土单轴受压应力-应变曲线下降段的参数值；x为混凝土单轴受压应变归一化值；y为混凝土单轴受压应力归一化值；εc为混凝土的单轴抗压强度峰值对应的压应变；fc为混凝土的单轴抗压强度。

为了更为准确地计算结构的受力和变形，基于ABAQUS单元模拟库中的三维实体单元C3D8R进行网格单元划分，划分方法为自由化网格划分，可以对结构单元进行任何几何形状的分割。计算加载的方式为单调加载，以水平位移控制为准则在墙体顶部的加载梁上施加地震波，砌体墙和构造梁、构造柱之间的约束关系均采用软件约束模块Tie约束进行模拟，不考虑墙体的平面外变形，钢筋则采用Embed REGION 的方式嵌入砌体墙中，通过逐步增加荷载的方式迭代计算，每个荷载增量步计算结束时寻求近似的平衡构型，并于软件中自动悬着的荷载增量与收敛速度控制迭代计算中的残差力和残差位移，当残差容许值小于规定值时则认为计算达到了收敛条件[8]。

由于地震动具有很大的随机性，计算采用的地震波峰值应在一定程度上满足常遇地震或罕遇地震的峰值要求，地震波的频谱特征能够真实反映场地的地震动特征，使得地震波的卓越周期与场地的特征周期应相近，此外考虑地震持续时间能够满足结构在地震波作用下持续发生变形和损伤，最终导致结构的破坏[9-12]。综合考虑分析，数值计算选用EL-Centro 地震波作为结构罕遇地震作用下的动力荷载，地震波持续时间为30s，最大加速度为0.21m/s2，地震波的加速度时程曲线如图1所示。

图1 EL-Centro地震波加速度时程曲线

2 地震作用下砌体结构位移响应分析

砌体结构的抗裂和抗剪性能较差，当地震波出现时，结构剧烈的振动极易引发其拉力和剪力集中，加大其位移，使其出现拉裂和剪碎。图2为4种不同约束条件下砌体结构的位移时程曲线。从图2中可以看出，4种不同约束工况的砌体结构位移振动初至时间均大致相同，约为1.9s，且位移时程曲线均在8s、12s、23s和29s附近出现位移振动波包，而在16s 附近的位移较小，对比图1中地震加速的波包出现时间可知，砌体结构的位移峰值波包出现时间明显延迟；工况A 的最大位移值为3.86mm，工况B的最大位移为4.20mm，相比于工况A增幅为8.8%，工况C 的最大位移为5.46mm，相比于工况A 增幅为41.45%；工况D 的最大位移为7.4mm，相比于工况A 增幅为91.71%。由此可以看出，有构造柱有圈梁的砌体结构位移明显的比其他工况小，而无构造柱无圈梁的砌体结构位移最大，无圈梁有构造柱砌体结构比有圈梁无构造柱砌体结构的位移略小，表明圈梁和构造柱可以很有效约束地震波荷载作用下的砌体结构位移，且圈梁的约束效应大于构造柱的约束效应。

图2 4种不同约束条件下砌体结构的位移时程曲线

3 地震作用下砌体结构底部剪力分析

结构的剪力指标是衡量砌体结构抗震性能的重要指标之一，图3为4种不同约束条件下砌体结构底部的剪力时程曲线。从图3中可以看出，工况A、工况B 和工况C的剪力时程曲线均呈现明显的波包，工况A的剪力波包出现的时间分别位于7.7s、11s、22s 和28.6s 附近，在时间15s 位置附近出现剪力极小值；工况B 的剪力波包出现的时间分别位于6.9s、12.3s、20.6s 和28.6s附近，在时间16.6s、25s位置附近出现剪力极小值；工况C的剪力波包出现的时间分别为10s、17.8s和27s附近，在时间15s 和21s 位置附近出现剪力极小值；工况D 的剪力波包出现的时间为13s，无明显的极小值。工况A和工况B 的剪力初至时间相近，约为2.5s，而工况C 和工况D 的剪力初至时间相近，且滞后于工况A 和工况B，约为4.1s。工况A 的砌体结构底部剪力最大值为491.83kN，工况B 的砌体结构底部剪力最大值为686.73kN，相比于工况A 增幅为39.62%；工况C 的砌体结构底部剪力最大值为635.92kN，相比于工况A 增幅为29.29%；工况D 的砌体结构底部剪力最大值为832.83kN，相比于工况A增幅为69.33%。

图3 4种不同约束条件下砌体结构底部的剪力时程曲线

综合分析表明，存在有圈梁和构造柱约束的砌体结构底部剪力最小，而存在圈梁或存在构造柱的砌体结构底部剪力次之，无圈梁和无构造柱砌体结构的底部剪力最大，圈梁和构造柱约束可以有效改善底部剪力情况，同时，存在构造柱的砌体结构剪力时程曲线初至时间早于存在圈梁的砌体结构剪力时程曲线初至时间，表明圈梁可以提高结构的抗剪切强度和刚度，提高对结构的抗震能力。

4 结语

以北京市某国电工程3 层砌体结构建筑为研究对象，运用ABAQUS 软件建立三维计算模型，考虑了4 种不同的约束条件，分析结构在地震波作用下的位移响应和剪应力响应特征，得到以下结论：

（1）不同约束工况的砌体结构均在8s、12s、23s 和29s附近出现位移振动波包，而在16s附近的位移较小，对比地震加速的波包出现时间可知，砌体结构的位移峰值波包出现时间明显延迟。

（2）圈梁和构造柱可以有效约束地震波荷载作用下的砌体结构位移，且圈梁的约束效应大于构造柱的约束效应。

（3）存在有圈梁和构造柱约束的砌体结构底部剪力最小，而存在圈梁或存在构造柱的砌体结构底部剪力次之，无圈梁和无构造柱砌体结构的底部剪力最大，圈梁和构造柱约束可以有效改善底部剪力情况。

（4）存在构造柱的砌体结构剪力时程曲线初至时间早于存在圈梁的砌体结构剪力时程曲线初至时间，表明圈梁可以提高结构的抗剪切强度和刚度，提高对结构的抗震能力。