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底商多层砌体结构抗倒塌加固方法研究

时间:2013-03-21 21:22点击:
2008年5月12日发生的汶川8.0级大地震,造成近89,000人死亡,同样在2010年在4月14日发生的玉树7.1级地震也造成了2697人死亡,如海地,阿尔及利亚,巴基斯坦,印度,伊朗等发展中国家,在大多数地震中这样惨重的伤亡情况非常相似,都体现出“小震大灾”的现象。

前言   

2008年5月12日发生的汶川8.0级大地震,造成近89,000人死亡,同样在2010年在4月14日发生的玉树7.1级地震也造成了2697人死亡,如海地,阿尔及利亚,巴基斯坦,印度,伊朗等发展中国家,在大多数地震中这样惨重的伤亡情况非常相似,都体现出“小震大灾”的现象。从汶川地震灾区结构震害调查中可以得出,在倒塌的砌体结构中,底商多层砌体结构占了很大的比例,其抗倒塌能力十分薄弱,是造成大量人员伤亡的主要结构类型,在北川县城,该类型结构倒塌率高达85%。底商多层砌体结构是随着我国经济的发展,城市临街房屋底层为了满足商业功能的需求而产生的。是我国现阶段经济条件下特有的一种结构类型。其上部几层作为住宅而底层用于商铺,竖向刚度有突变,是一种“头重脚轻、上刚下柔”的结构形式,通常用作商铺的临街面纵墙布置很少,而非临街面纵墙正常布置,这样造成的刚度差异极大降低了结构的抗震性能。



    图1所示为底商多层砌体结构的倒塌实例和所统计的该类型结构的倒塌比率。这中结构类型在我国南方地区非常流行,据统计目前我国尚存总量两千多万栋底商多层砌体结构,且区域人口密度很大,涉及人口大约1.2亿。由于民众防灾意识淡薄以及我国的实际国情等原因,这种类型的结构无法在短时间内彻底被取代。因此从震害实例中研究底商多层砌体结构的抗倒塌机理,对于底商多层砌体结构的抗震加固显得尤为重要。
倒塌机理分析
    北川县是汶川地震的两个极震区之一,地震烈度为XI度,整个县城遭到了毁灭性的破坏,90%以上建筑物严重破坏或倒塌,而从震后的调查发现,同样为底商多层砌体结构的北川县电信局职工住宅楼(图2(a))仅遭受了中等破坏,为了探寻北川电信局职工住宅楼的抗倒塌能力,通过与其他类似建筑的对比发现,北川电信局职工住宅楼底层临街面纵墙的门洞两侧均设置了“翼墙”和加强构造柱,而其他底商砌体结构一般没有相应的构造措施。“翼墙”及加强构造柱设置减小了底层各纵墙的刚度差,减轻了结构的整体的扭转效应。
 



    本文以北川电信局职工住宅楼底层的四个开间部分(含翼墙)为原型,制作1/5的缩尺模型,利用振动台试验考察“翼墙”及门洞两侧加强构造柱的设置对结构抗倒塌能力的贡献。如图2(b)为模型平面图,其中虚线内为翼墙部分的设置,A轴为前纵墙,底层临街商铺的入口,D轴为内纵墙,中间开有若干门洞,G轴部分为背纵墙,背纵墙仅有窗洞,其相比临街前纵墙设置较多墙体。为了通过对比来找寻翼墙的功能,设置了两组模型(图3)。A模型根据北川电信楼的原型设置翼墙,B模型仅删除图2(b)中虚线内的翼墙部分,其他布置和A模型完全相同。在模型试验中选取汶川地震中实际记录到的卧龙地震波作为振动台输入信号,其时程曲线及其反应谱如图4所示。
 



    从系列振动台试验的结果表明,翼墙的设置使结构整体表现出了十分良好的抗震性能。台面PGA的输入从0.1g增加到0.7g,当台面输入的加速度幅值PGA达到0.7g时,A模型正面纵墙仅有轻微的裂缝,基本保持完好,背立面主要在洞口上部及窗间墙部位(图5)产生裂缝,裂缝基本是沿着洞口角部向上斜向开展或沿着窗间墙产生斜向裂缝,模型整体保持完好。而B模型当加速度峰值PGA达到0.4g时,背面纵墙已经发生粉碎状严重破坏,如图6(a),其内纵墙也是类似的破坏情况。当加速度峰值PGA达到0.6g时,B模型完全倒塌,如图6(b)。




    振动台试验的结果表明翼墙的存在是A模型抗倒塌能力强的的关键因素。造成B模型倒塌现象的主要原因为结构各纵墙的刚度存在较大差异,纵墙部分墙体设置越多其刚度越大,从而墙体分担的地震力越大,刚度较大的墙体首先发生破坏,接着是刚度较小的墙体破坏,破坏模式为逐个击破进而导致结构整体倒塌。
而对于A模型,翼墙的设置为前纵墙的刚度贡献很大,因此总水平地震惯性力在纵向由三道墙体均匀分担,极大地减小了结构的扭转效应。北川电信楼之所以能够在极震区保存下来,就是因为临街面纵墙处翼墙的存在,均衡了纵向各墙体的刚度。
为了进一步验证翼墙对于底商多层砌体结构抗倒塌能力的贡献,在底层模型的基础上又设置了两组两层缩尺模型。其中A模型同样为有翼墙的设置,而B模型未设置翼墙,底层正面纵墙为大开间,其他部位均和A模型相同。和前述底层模型的试验方法类似,分别进行振动台试验,在模型试验中仍选取汶川地震中实际记录到的卧龙地震波作为振动台输入信号,其时程曲线及其反应谱如图4所示。模型A的台面输入加速度峰值PGA从0.1g增加到1.0g,模型B的台面输入加速度峰值PGA从0.1g增加到0.8g。和试验前所预期设想的破坏模式一致,B模型在加速度峰值达到0.8g时发生了严重的破坏,其纵墙破坏以先内纵墙后背纵墙的次序,内纵墙及背纵墙均呈现出粉碎性破坏的现状,如图7所示,墙体砌块碎散掉落,基本上丧失了承载能力。而相反A模型则表现出了良好的抗震能力,即使在加速度峰值到达1.0g时也仅仅出现了轻度的破坏情况。这为后续实现进一步优化的加固方案提供了可靠的理论依据。

   
 加固技术验证
    根据前面几组模型的试验结果,针对现今既有的大量底商结构,在“平衡刚度,提高延性”的加固方法指导下,为了能够提供有效可靠的加固技术,在加固施工上提供易操作可批量生产的技术产品,在前面试验的基础上,又特制作了一组加固模型C。此次模型制作特别用型钢柱来代替之前试验采用的翼墙,既在构造柱两层布置型钢,通过特殊构造措施使型钢柱和构造柱组合成一种新的组合墙体,用以平衡背纵墙的抗侧刚度。并且为了避免在大震时底商多层砌体结构背纵墙砌块碎散掉落而丧失承载能力,特制做了加筋钢丝网片,对内纵墙和背纵墙墙面进行加固。加固模型如图8所示,对此特别制作的加固模型进行振动台试验,和前面未布置翼墙的二层模型做对比,验证组合墙体和加筋钢丝网的加固效果。在模型试验中仍选取汶川地震中实际记录到的卧龙地震波作为振动台输入信号,其时程曲线及其反应谱如图4所示。
 


    在试验过程中,C模型中组合墙体和加筋钢丝网的设置使得模型整体表现出了优越的抗震能力,组合墙体有效均衡了各纵墙的刚度,能够使地震作用力在纵墙间均衡分配,避免了逐个击破的破坏模式,并且在1.0g大震时,背纵墙也表现出了十分良好地抗震性能,经过钢丝网片加固后其纵墙裂缝开展较之前的二层A模型有了明显的减轻。而B模型在加速度峰值达到1.0g时倒塌,随着内纵墙及背纵墙墙体的粉碎性破坏而完全丧失承载能力,地震作用力全部转移到未设置翼墙的前纵墙处,导致前侧柱子根部和顶部钢筋拉断发生整体倒塌。试验的结果可以充分证明此种加固方法的可行性,组合墙体和加筋钢丝网能够使结构满足抗侧刚度均衡、墙体延性大幅提高的作用,使底商砌体结构在大震下抗倒塌能力显著提升。


 结论

 底商多层砌体结构是我国南方地区十分普遍的一种结构类型,汶川地震中底商多层砌体结构的震害现象表明,这种结构在抗震性能上存在着严重的缺陷。其倒塌比率达到85%,从震害调查中发现处于极震区幸存的北川电信职工住宅楼表现出了良好地抗倒塌能力。研究北川电信职工住宅楼的抗震性能,从中提取多组模型进行振动台试验,经过对比分析,发现其前纵墙处翼墙的设置是该类型结构抗倒塌能力有着卓越的贡献,翼墙的设置可以为临街纵墙提供必要的刚度,使各纵墙之间的地震惯性力均衡分配,明显减少结构的扭转效应。从一些列试验中提取了针对底商多层砌体结构“平衡刚度,增加延性”的加固方法,并且为此特别制作了组合墙体和加筋钢丝网组成的成型加固技术,验证了其对于提高底商多层砌体结构抗倒塌的良好效果。这对于我国现存大量的底商多层砌体结构的加固改造有着十分重要的意义。

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