砌体结构抗震试验及弹塑性地震

马天财

摘要：为解决建筑砌体结构的抗震性问题，本文以再生混凝土砌块砌体结构为例，对建筑砌体结构的抗震性进行了研究，随后又对砌体结构弹塑性地震展开了分析，以期为相关人员提供参考。

关键词：砌体结构；抗震试验；弹塑性地震；再生混凝土

再生混凝土砌块是一种常见的建筑材料，具有绿色环保的应用效果，其在建筑施工中的应用符合绿色建筑发展要求。为了验证再生混凝土砌块在建筑砌体结构中应用的安全性，本文对再生混凝土砌块砌体结构的抗震性进行了研究，同时还分析了其砌体结构的弹塑性地震反应，以此体现出再生混凝土砌块的可靠性以及可应用性等。

一、再生混凝土砌体结构抗震性能的探析

地震灾害发生时，受水平地震作用的影响，再生混凝土砌体结构抗震验算的基本性能指标之一是结构水平灰缝的抗剪强度，该强度一般分为两种，分别是沿阶梯形截面的抗剪强度以及沿通缝截面的抗剪强度。砌体结构施工中，因施工质量参差不齐，所以结构竖向灰缝的抗剪强度偏低，一旦发生地震灾害，砌体结构很容易出现裂缝问题。如果地震灾害发生时，水平地震作用下加上竖直方向的重力荷载作用，此时砌体墙会出现交叉斜裂缝。

为提高砌体结构的抗震性能，加强对砌体结构剪切破坏形态的研究十分重要。砌体墙主要是由砂浆及砌块施工而成，因二者力学性能差异较大，所以砌体墙会遭受来自不同方面的受压及受拉力等，加之砂浆强度偏低，所以沿阶梯形截面较为薄弱，地震灾害发生时该截面容易被破坏，进而会形成不同的剪切破坏形态。此外，砌体墙截面竖向压应力与抗压强度平均值的比值不同，其破坏形态不同，如果竖向压应力≥0，抗压强度平均值≤0.2，属于剪摩破坏；如果竖向压应力≥0.2，抗压强度平均值≤0.6，属于剪压破坏；如果竖向压应力≥0.6，抗压强度平均值≤1.0，属于斜压破坏，无论是哪一种破坏形态，都会降低建筑砌体结构的抗震性能。为此，工作人员需要严格控制砌体结构的砌体墙截面比值。

二、再生混凝土砌体结构抗震试验的研究

（一）模型设计制作

此次选用的再生混凝土砌块强度等级为MU10，配比原材料包括粉煤灰、硅酸盐水泥以及石屑等，砌块规格分为360mm×240mm×115mm与190mm×240mm×115mm。建筑模型为矩形，长宽高分别是4m、3m与2.8m，楼板浇筑厚度为120mm，墙体厚度为240mm，总重量为24000kg，模型平面图见下图1所示[1]。模型构建过程中混凝土构造柱的施工应先砌砖，而后浇筑混凝土，钢筋混凝土梁的截面尺寸为450mm×400mm，施工钢筋型号为HRB400，混凝土强度等级为C25。刚性底座的施工，因试验振动台台面孔洞尺寸为30mm，所以为减小误差，混凝土浇筑施工前施工人员需要做好PVC套管的预埋工作[2]。模型主体的制作，墙体的砌筑需要严格按照相关要求进行施工，待模型混凝土浇筑施工结束之后，施工单位需要对其进行1个月的养护，随后需要在模型外墙表面涂刷一层白灰，以便于为后期抗震性试验的研究与观察提供方便[3]。

图1模型平面图

（二）抗震试验方案

此次试验使用的是地震模拟振动台，振动台的驱动方式为电源伺服，台面尺寸为4m×6m，台面结构为钢焊，最大激振力为100t，最大行程为±250mm，频率范围是0.1-50Hz。试验过程中选择使用了4个磁吸式传感器和5个拉线式传感器，针对于地震波的选择，此次试验振动台自振频率的估算为3Hz，模型试验场地的抗震设防类别为7度，场地为II类，地震波最终选择了人工波1条以及天然波2条，天然波的名称分别是Taft以及Castaic。依据振动台的使用要求，试验过程中地震波加速度峰值与位移值均需要小于振动台限值，而振动台的最大位移限值为±250mm，最大加速度峰值为1.2g。试验过程中，地震波需要依次进行加载，当人工波的加速度峰值为250gal时，试验人员需要停止人工波的加载，而后继续加载Taft波与Castaic波[4]。此外，试验正式开始之前，工作人员可以输入加速度峰值30gal随机波进行试测，随后试验初始输入的加速度峰值为35gal，最终输入的加速度峰值为900gal。

（三）试验结果分析

试验中加速度峰值设计与控制指标的确定主要是参考加速度传感器显示值，如果指标与地震波加速度峰值的设计要求不相符，可能会导致试验效果不佳。为此，为确保试验结果精准、可靠，地震波实际加速度峰值的设定需要在设计值左右，具体见下表1所示。

表1地震波加速度输入值与实测值对比

序 号	地震波形	设计输入值（gal）	底座测量值（gal）	作动器反馈值（gal）
1	人工波	34	24.01	31.4
	Taft波		32.38	28.8
	Castaic波		25.36	31.4
2	人工波	100	80.66	107.0
	Taft波		99.05	110.3
	Castaic波		87.84	100.2
3	人工波	219	183.57	206.7
	Taft波		211.00	238.4
	Castaic波		165.62	236.0

由上表1可知，虽然底座测量值与作动器反馈值不一致，但二者数据相差较小，为了能够让底座地震波加速度峰值接近设计值，工作人员需要保证模型底部紧连振动台台面，以此可以保证试验数据的精准性以及可信性等。通过对再生混凝土砌体结构模型加速度数据的分析，可知地震波不同，模型的加速度峰值也会有所不同。

三、再生混凝土砌体结构弹塑性地震分析

（一）构建模型

有限元模型的正确构建是保证再生混凝土砌体结构弹塑性地震试验结果精准性的关键，工作人员需要科学选择建模材料。建筑工程中，砌体墙与各构件间连接质量直接影响着建筑砌体结构的抗震性。混凝土模型的构建主要分为两种，一种是弥散开裂模型，一种是损伤塑性模型，依据试验相关要求，损伤塑性模型更为适合此次试验，其主要是由拉伸截断、损伤弹性以及压缩塑性等组合而成，模型具体分为两部分，分别是损伤部与塑性部。此次建模使用的是ABAQUS软件，模型中，楼板为现浇混凝土，其模态分析与时程分析均为S4R，单元数目为233；钢筋的模态分析与时程分析均为SFM3D4R，单元数目为845；墙体及梁柱的模态分析与时程分析均为SFM3D4R，单元数目为467[5]。另外，依据试验模型的构建要求以及砌块抗压试验结果，砌块材料的计算参数分别是10.22MPa以及8.64MPa，试验模型的砌体墙在地震波的破坏下，砌体结构延性提高，有助于模型抗震性的提升。

（二）结果分析

通过试验可知，建筑模型有限元计算结果的自振频率为18.35Hz，试验结果的自振频率为21.00Hz，虽然二者之间存在一定误差，但数字较为接近。为确保试验结果精准，试验分别将三种地震波加速度峰值的分析结果进行对比。以受拉损伤反应为例，当加速度峰值为100gal时，砌体结构墙体并无新裂缝出现，且原有裂缝并未加重；当加速度峰值为350gal时，砌体结构门窗洞间的墙体底部及顶部出现裂缝，该结果与振动台试验相一致；当加速度峰值为750gal时，门窗洞间的墙体底部及顶部裂缝加重，砌体结构圈梁与顶部交接处裂缝较为严重，墙体出现水平裂缝[6]。除此之外，此次试验的破坏属于单次震动作用结果，所以砌体结构部分墙体震害较轻。

结束语：

砌体结构是建筑工程施工的重要组成部分，其设计与施工的抗震性对于建筑整体的抗震性具有重要影响。因地震灾害的破坏性较为严重，所以加强对建筑砌体结构抗震性的研究十分重要。此外，混凝土是砌体结构施工的主要材料，不同于普通混凝土，再生混凝土属于环保型建材，为扩大其应用范围，提高其应用质量，研究人员需要重视再生混凝体砌块砌体结构抗震性的研究。

参考文献：

[1]董道武.有限元软件辅助砌体结构抗震鉴定方法及应用探讨[J].产业科技创新,2023,5(03):72-74.

[2]曹龙飞. 既有砌体结构墙体钻孔配筋抗震加固方法的研究[D].北京建筑大学,2023.

[3]祁博文. 多层砌体结构历史建筑抗震加固设计研究[D].中原工学院,2023.

[4]吴乐乐,唐曹明,黄世敏等.钢筋网水泥砂浆面层加固低强度砖砌体结构的地震易损性分析[J].建筑科学,2023,39(05):54-65.

[5]赵方智,蔡炎皓,杨亮等.村镇砌体结构基于增量动力分析法的地震易损性分析[J].混凝土世界,2022(09):54-60.

[6]马栋梁. 村镇砌体结构地震抗倒塌性能数值分析研究[D].东南大学,2021.

作者简介:马天财（1988.04）男，汉，籍贯：甘肃白银，本科，工程师，主要从事：房屋建筑，项目管理.