预制板现浇混凝土叠合层加固砌体教学楼的抗震性能分析
作者：屈文俊马瑞嘉崔巍
摘要：针对2008年“5·12”汶川地震中砌体结构教学楼大量倒塌这一惨痛教训，总结了实际工程中砌体结构房屋的整体性缺陷以及常用的加固方法；采用通用有限元分析软件ANSYS建立了一个典型砌体结构教学楼（预制多孔板装配式楼盖）的数值模型，施加经修正后的汶川地震波，并利用有限元时程分析方法，分析了使用现浇混凝土叠合层加固前后该砌体结构教学楼在汶川地震波下的响应，重点对比了结构的模态、变形以及应力水平。结果表明：现浇混凝土叠合层可以使墙体的变形得到有效约束，横墙和纵墙的加速度基本一致，墙体变形以及最大应力均得到减小，这说明增设现浇混凝土叠合层是一种有效的加固预制板楼盖的方法。
关键词：砌体结构；抗震性能；有限元分析；现浇混凝土叠合层；预制板
中图分类号：TU375 文献标志码：A
0 引言
2008年“5·12”汶川地震中大量教学楼毁坏倒塌，造成大量学生伤亡，这一惨痛教训使得整个社会对教学楼安全的重视程度提高到一个新的水平。笔者经过对地震现场的实地调查以及查阅相关文献[12]，总结出地震区倒塌的教学楼具有以下典型特点：多为砌体结构，且使用预制板楼盖。对于砌体结构，如何保证结构的整体性和侧向承载力是抗震加固设计的关键。本文中重点研究旨在增加楼板的平面外刚度而增设现浇混凝土叠合层的加固方法对于房屋抗震性能的影响。
1 现有砌体结构教学楼抗震性能分析
在地震中建造年代比较早的砌体结构教学楼大都采用预制板装配式楼盖，空心预制板直接搭在承重墙体或大梁上，使得空心预制板的整体性、平面外刚度不足，地震时作用于楼、屋面板上的水平剪力无法传递至附近的抗震横墙，只能依靠窗间墙及其大梁下的扶壁柱承受地震力，产生较大变形后，使窗间墙或扶壁柱在偏心较大的重力作用下垮塌，进而使整个楼、屋面板倒塌[3]。同时，楼、屋盖的平面外刚度不足还会影响到抗震设计中地震作用的分配，同样会影响到砌体结构的静力计算方案[4]。因此，对于砌体结构，楼、屋盖的平面外刚度对房屋的整体受力性能有重要影响。
针对这种地震破坏现象，中国学者提出了多种加固方法，如增大窗间墙的截面尺寸，提高窗间墙的承载力，改善窗间墙的延性等，但这些方法并没有从本质上改进砌体结构的整体抗震性能[59]。为了使抗震横墙在地震中承担大部分地震力，应从提高装配式楼、屋盖的整体性入手。《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116—98）[10]中建议的预制楼板的整体性加固方法是增设钢筋混凝土现浇层或增设托梁，其中增设托梁的方法由于施工技术复杂、经济资源花费较大等原因，极少在实际工程中采用。目前，大多数实际工程中多采用的加固方法是增设现浇混凝土叠合层。本文中以典型砌体结构教学楼为研究对象，采用通用有限元软件ANSYS分析现浇混凝土叠合层对砌体结构房屋抗震性能的影响。2 抗震性能有限元分析
2.1 模型概况
本文中以上海市中小学教学楼抗震鉴定加固项目为依托，建立一个典型砌体结构教学楼有限元模型，教学楼结构平面和立面见图1。
上海市中小学教学楼大部分是建造于20世纪七八十年代的砌体结构，混凝土强度等级为C20，砂浆强度等级检测评定为M2.0，烧结粘土砖的强度等级为MU10。建筑砌体墙厚度为240 mm，承重大梁尺寸为240 mm×400 mm，大梁下承重柱尺寸为240 mm×240 mm。空心预制板尺寸为240 mm×3 000 mm，板间间距为80 mm。空心预制板厚度为120 mm，按照弯
曲模量一致的原则折算成实心预制板，厚度为114 mm。
结构建模时，忽略窗间墙的作用，采用实体单元模拟砌体材料，壳单元模拟预制板结构。结构所输入的地震波由国家强震动台网中心提供，为四川什邡市八角镇地震观测台未经校正的数据，共持时225 s，步长0.005 s，45 000个点。在不影响加速度波形的前提下，本文中选取第30～60 s的波进行计算，步长取为0.02 s，总共1 500个计算点。根据文献[11]中推荐的加速度校正方法，本文中对第30～60 s的加速度波进行了校正。
2.2 加固前的结构有限元分析
本文中把房屋结构的长轴方向（纵墙方向）作为x方向，把短轴方向（横墙方向）作为y方向。表1为加固前砌体结构教学楼的前6阶模态。由表1可以看出，结构第1振型表现为y方向的一阶平动，说明x方向抗侧刚度大于y方向抗侧刚度，这
是由于x方向的横墙较大，而y方向纵墙由于门窗洞口的影响，抗侧刚度较小。图2～11为结构加固前的试验数据。
从图2，3可以看出：教学楼顶层在汶川地震波作用下的y方向最大位移为49.1 mm，墙体倾斜率为0.271%，低于《危险房屋鉴定标准》（JGJ 125—99）中规定的结构最大倾斜率为0.7%；顶层加速度时程最大值为39.86 m·s-2，放大系数为6.86。
从图4～6可以看出，纵墙与横墙的变形并不同步，且变形量存在较大差异。从图8～11可以看出，纵墙与横墙均出现了塑性变形。
砌体教学楼的横墙与纵墙在汶川波地震作用下不同响应的分析如下：
（1）图3表明，纵墙的加速度总小于横墙，由于楼盖平面外刚度不足，两者的加速度在地震初期之后并不同步。
（2）图4～6同样说明，在汶川地震波下砌体教学楼纵墙的y方向变形始终大于横墙的y方向变形，峰值时纵墙变形为横墙变形的137.5%。从位移角峰值的对比可以看出，每层纵墙的位移峰值均比横墙大2～3倍。
（3）图7中的纵墙剪力很小，剪力最大值为377.3 kN，横墙仍然承担了绝大部分基底剪力，剪力最大值为2 482.3 kN。
（4）横墙的主拉应力最大值为1.49 MPa，纵墙的主拉应力最大值为0.68 MPa。
2.3 加固后的结构有限元分析
为模拟现浇混凝土叠合层的加固效果，本文中利用壳单元Shell181模拟现浇混凝土叠合层，利用其填充原预制板拼接缝。表2为加固后砌体结构教学楼的前6阶模态。砌体房屋经现浇混凝土叠合层加固后，因为结构形式及结构的主要抗侧力构件——横向及纵向砌体墙并未改变，因此其动力特性与未加固结构保持一致，其前4阶模态和自振频率与未加固结构基本相同，只有第5阶模态由y方向二阶平动变为x方向三阶平动，由于第5阶模态自振频率较高，其他地震中参与系数非常小，故对结构的地震响应影响不大。图12～21为加固后结构的试验数据。
教学楼顶层y方向最大位移为28.4 mm，墙体倾斜率为0.161%，比未加固前减小42.16%。结构
5.42 s After Strengthening的速度时程与加速度时程均比未加固时减小，最大速度由0.634 3 m·s-1减小到0.464 7 m·s-1，最大加速度由39.86 m·s-2减小到35.38 m·s-2，分别减小了2
6.74%和11.24%。
图14～16非常明显地体现了现浇混凝土叠合层加固对墙体变形的约束作用，纵墙和横墙变形基本同步。在图14中，纵墙与横墙的变形时程几乎完全重合，由此可见，加固的效果十分明显。
从图18可以看出，砌体结构的平面外变形基本一致，在地震作用下楼盖的变形基本保持不变。图19～21均可以说明，楼盖和屋盖经过增设现浇层加固后横墙墙体应力增大，塑
