专家解读 为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。
专家解读
为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 上海市建筑科学研究院 蒋利学教授级高工，为您解读 无筋砌体结构振动台试验和性能化抗震评估方法 。
无筋砌体结构多层住宅振动台试验与抗震性能评估
1.
研究背景
国内外学者一般认为，砌体结构是最古老，但同时又是迄今为止人们对其材料和结构性能掌握最少的一种建筑结构。以往对砌体结构抗震性能的研究侧重于其承载能力，而较少关注其变形能力、耗能能力、延性等。20世纪80年代起特别是本世纪以来，国外很多学者发现砌体结构抗震设计方法存在重要缺陷，采用基于性能的抗震设计理念对多层砌体结构的抗震性能开展了大量深入的研究工作。我国学者对基于性能的抗震理论与方法的研究主要集中在钢筋混凝土结构和钢结构方面，很少涉及砌体结构。
课题组以国内外砌体结构研究成果和设计规范为基础，提出了多层砌体结构基本周期近似计算方法与层间位移角限值，建立了罕遇和设防烈度地震作用下多层砌体结构基于承载能力和基于位移与延性的抗震性能评定方法。振动台试验结果表明，课题组提出的多层砌体结构性能化抗震评估方法对于合理评定砌体结构在中、大地震作用下的抗震性能，具有重要的理论意义和工程应用价值。
2.
多层砌体结构性能化抗震评定方法
2.1 多层砌体结构基本周期近似计算方法
基于计算结构基本周期的顶点位移法和多肢墙与壁式框架的位移计算方法，考虑墙肢弯曲、剪切变形及耦合的影响，推导了多层砌体结构基本周期的计算式 [1] ：
将 ρ e 用 ρ 和 H / B 两个参数代替，可大幅度简化基本周期的计算。通过对典型多层砌体住宅结构的实例分析，提出了多层砌体结构横向和纵向基本周期的近似计算式。
1）横向基本周期的近似计算式：
通过典型砌体结构算例对课题组的近似计算式和各种经验计算式的基本周期计算结果进行比较分析，见图1，课题组提出的近似算式计算精度相对更高。此外，实例分析表明，课题组提出的近似计算式的计算结果与SAP2000的计算结果基本吻合。
图1 基本周期计算结果的比较
课题组所提出的砌体结构基本周期的计算式全面体现了房屋高度、高宽比、单位面积质量、砌体抗压强度、抗震墙面积率等主要因素对基本周期的影响规律，计算精度高，可在多层砌体结构后续的抗震性能评定中采用。
2.2 多层砌体结构的层间位移角限值
对收集到的国内外烧结黏土砖墙抗震试验研究成果进行分析，总结了剪切破坏时无筋和约束砖墙试件的荷载-层间位移骨架曲线、层间位移角限值、位移延性系数等基本特征 [2] 。
2.2.1 砖墙的荷载-层间位移骨架曲线
在使用层模型对多层砌体结构进行弹塑性抗震计算时，建议采用理想弹塑性（EPP）模型对荷载-层间位移骨架曲线进行简化，如图2所示。
图 2 砌体结构的EPP模型
（综合Tomazevic模型和Magenes等模型给出）
2.2.2 抗震措施类别
将单片砖墙的简化模型推广应用于多层砌体结构的层间结构，并根据我国不同版本的《建筑抗震设计规范》中关于构造柱设置的不同要求，建议分为5个抗震措施类别，如表1所示。
表1 砌体结构抗震措施分类
2.2.3 砌体结构层间位移角限值的建议值
课题组分别给出了结构完好、基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏5个性能点的层间位移角限值的建议值及延性系数，如表2所示。
表2 各性能点的层间位移角限值及延性系数
表2中的多层砌体结构层间位移角限值与砖墙宏观破坏程度（斜裂缝宽度）有较好的对应关系，可作为特征性能点的控制指标。
2.3 基于承载能力的抗震性能评估方法
以我国的砌体结构研究成果和设计规范为基础，建立了罕遇和设防烈度地震作用下规则多层砌体结构抗震计算的实用方法 [3] ，计算流程如图3所示。
图 3 多层砌体结构基于承载能力的抗震计算流程
砌体结构的抗震措施对楼层屈服强度系数有一定影响。构造柱对砌体结构的延性有较大影响，根据相关试验结果和GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中的计算公式，并参考高小旺、杨玉成等的震害调查结果和GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》，给出抗震措施对楼层屈服强度系数的影响系数 η ，见表3。
表3 抗震措施对楼层屈服强度系数的影响系数
此外，在罕遇地震和设防烈度地震作用下，不同抗震措施下的阻尼折减系数如图4所示。
图4 不同抗震措施下的阻尼折减系数
2.4 基于位移和延性的抗震性能评估方法
薄弱层剪切型破坏是规则多层砌体结构地震破坏的一种主要形式。针对发生该类破坏的多层砌体结构，在非迭代等效线性化方法的基础上，课题组建立了其等效单自由度体系的屈服位移和弹塑性位移需求、最大层间弹塑性位移及其延性需求的计算公式 [4] ，形成了基于位移和延性的抗震性能评估方法，具体计算流程如图5所示。
图5 多层砌体结构基于位移和延性的抗震计算流程
相关算例分析表明，基于延性方法与基于承载能力方法的评定结果比较接近。一般当层数较多、高宽比较大时，基于位移方法比基于延性方法严格；而当层数不多、高宽比不大时，基于延性方法比基于位移方法严格。
3.
振动台试验及抗震性能评估方法的验证
3.1 振动台试验
为深入掌握砌体结构多层住宅的抗震性能，选取上海市20世纪80年代建成的典型5层砌体结构住宅为原型，隔层设置钢筋混凝土圈梁，不设构造柱，楼、屋盖主要采用预制多孔板，原型与试验模型各参数的相似关系见表4。模型平面和实体模型分别见图6、7，试验工况见表5。
表4 模型主要相似关系
图6 试验模型平面图
图 7 砌筑完成的砌体模型
表5 模型试验工况
模型的主要试验现象如图8所示。在7度多遇地震工况后，模型仅墙体底部出现了细而短的水平裂缝，模型处于完好状态；7度设防地震工况后，底层墙体的窗洞口出现宽0.1 mm的斜裂缝，模型处于轻微破坏状态；7度罕遇地震阶段，工况C7之后，各层墙体上裂缝急剧开展，其中二、三层墙体裂缝开展最多，且多为贯穿裂缝，裂缝宽度约0.2~0.5 mm；工况C9之后，二层墙体X形斜裂缝贯通，发生严重剪切破坏和局部倒塌，加载停止。试验结束后，模型处于总体严重破坏、二层局部倒塌状态。
图8 裂缝与破坏开展过程
3.2 基于不同方法的抗震性能评估
针对课题组完成的振动台试验，分别采用基于抗震鉴定标准、基于承载能力、基于位移和延性等不同方法，评估试验模型所对应原型结构的抗震性能。试验结果与各种分析方法结果的对比如表6所示。
1）基于鉴定标准的抗震性能评估。根据现行国家标准GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》规定的A类建筑的要求对试验模型进行分析评估，其楼层平均抗震能力指数满足要求且有较大裕度，结果偏不安全。但如将自承重纵墙的竖向压应力取纵横墙的平均压应力、墙体承重类别系数取1.0，得到的结果将与试验及其他各类分析结果趋向吻合。
2）基于承载能力的抗震性能评估。对五层规则的无筋砌体结构多层房屋，按A类构造房屋计算得到完好、基本完好、轻微破坏、中等破坏和严重破坏等级下的阻尼折减系数 B 分别不小于1.8、1.33、0.88、0.73、0.64。根据本试验实际参数的计算结果见表6，可见设防地震下纵向的 ηξ 为1.38，即处于基本完好状态；罕遇地震下纵向的 ηξ 为0.63，即处于严重破坏。该方法得到的破坏程度略好于振动台试验结果。
3）基于位移的抗震性能评估。根据基于位移的方法对试验模型进行抗震性能分析，在设防地震和罕遇地震作用下的房屋纵向破坏状态均与振动台试验结果一致。由于试验模型的纵向高宽比明显偏大，对不同房屋宽度下结构纵向抗震性能进行了补充分析，并选取原型宽度分别为8.4、13.2、26.4 m和39.6 m。计算结果表明，随着纵向宽度增大(高宽比减小)，结构的基本周期减小，抗震性能提升，罕遇地震作用下结构从倒塌状态逐步提升到中等破坏状态。
4）基于延性的抗震性能评估。由表6可知，基于延性的抗震性能评估结果与试验结果较为吻合。但同样针对不同房屋宽度（8.4、13.2、26.4 m和39.6 m）下结构纵向抗震性能进行补充分析时，计算结果无法体现结构的屈服位移角随结构宽度增大和基本周期减小而减小的规律，可能使抗震性能评估结果偏于不安全。
表6 试验结果与各种分析方法结果对比
4.
结论
1）课题组考虑墙肢弯曲、剪切变形及耦合的影响，推导建立了多层砌体结构基本周期的计算式，并通过对典型多层砌体住宅结构的实例分析，进一步对基本周期的计算式予以简化，提出了多层砌体结构横向和纵向基本周期的近似计算式。
2）课题组对收集到的国内外烧结黏土砖墙抗震试验研究成果进行分析，将单片砖墙的简化模型推广应用于多层砌体结构的层间结构，并根据我国不同版本的《建筑抗震设计规范》中构造柱设置的不同要求，分别给出了不同抗震措施类别下结构完好、基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏等5个性能点的层间位移角限值建议值。
3）课题组以国内外砌体结构研究成果和设计规范为基础，建立了罕遇和设防烈度地震作用下多层砌体结构基于承载能力和基于位移与延性的抗震性能评定方法，并通过典型算例验证了其合理性。
4）五层无筋砌体结构振动台试验结果表明：采用基于抗震鉴定标准或基于承载能力的方法可能高估结构的抗震性能，而对于高宽比处于正常范围的多层砌体结构，采用基于强度的方法评估结论基本合理；采用基于位移或基于延性的方法对试验模型进行抗震性能分析评估，评估结果与试验结果较吻合，其中基于位移的方法可以最客观地反映无筋砌体结构抗震性能随高宽比增大而降低的规律。
参考文献
[1]蒋利学，王卓琳，蒋璐. 多层砌体结构基本周期的近似算法[J]. 建筑结构学报，2018，39(增刊2):254-262.
[2]蒋利学，王卓琳，张富文. 多层砌体结构的损坏程度与层间位移角限值[J]. 建筑结构学报，2018，39(增刊2):263-270.
[3]蒋利学，张富文，王卓琳. 罕遇与设防烈度地震作用下规则多层砌体结构的抗震计算实用方法[J]. 建筑结构学报，2020，41(6):170-179.
[4]蒋利学，王卓琳，张富文，蒋璐. 既有规则多层砌体结构基于位移和延性的抗震性能评定方法[J]. 建筑结构学报，2021，42(3):72-79.
