沿街两层砖混商铺房屋大多数为自建房, 为满足底层商业功能的需求, 普遍不设内墙, 正立面仅设构造柱, 背立面开窗;为增加居住面积, 二层往往前挑0.6～1.5 m。该结构布置导致房屋底层刚度较小且二层重心前移, 同时调研发现, 该类建筑很少设置抗震构造措施, 加上施工质量普遍较差, 历次地震中破坏非常严重, 主要震害为房屋倒塌、墙体严重损毁、窗间墙形成交叉裂缝等^[1], 如图1所示。

　　 已有的砌体结构抗震性能和加固方法研究主要为针对墙片的拟静力试验研究, 未能体现砌体结构整体抗震性能。近年来的砌体结构地震模拟振动台试验研究^{[2,3,4,5,6,7]}, 大多是研究普通农房或多层建筑, 对沿街低层砖混建筑结构大比例尺寸模型的振动台试验抗震性能的相关研究较少。

　　 本文在深入分析原型结构的基础上, 设计一个沿街两层砖混商铺的模型, 研究该类砌体房屋加固前后的动力特性和抗震性能。通过加固前后模拟地震振动台试验对比, 对窗间墙修复、通缝注浆修复墙体以及钢筋网水泥砂浆面层加固墙体的加固方法进行检验, 为此类房屋抗震加固的实际工作提供参考, 也为当前《镇 (乡) 村建筑抗震技术》 (JGJ 161—2008) ^[8]的修编工作提供试验依据。

　　 试验模型的原型为典型的沿街两层砖混结构房屋。根据振动台台面尺寸及其承载能力, 确定试验模型的几何缩尺比例为1/2。模型平面图及实景如图2所示, 模型为双开间对称结构, 一层层高为1.8m, 二层层高为1.5m。屋面及楼面为现浇混凝土结构, 板厚均为60mm, 屋面上设有防水层和找坡层。

　　 模型一层和二层均设有圈梁, 截面尺寸为120×90;楼面挑梁截面尺寸为120×200, 外挑长度0.6m, 承担二层中间横墙的梁截面尺寸为150×300。门洞过梁截面尺寸为120×200 (兼一层圈梁) 、正立面窗过梁截面尺寸均为120×150 (兼二层圈梁) 。房屋背立面窗过梁的截面尺寸为120×60 , 长度为1 050 mm。模型主要混凝土构件配筋情况见表1。

　　 本次振动台试验模型结构房屋所用材料基本与原型结构相同。梁、板、柱的混凝土均采用与原型结构相同的强度等级C30;钢筋根据原型结构配筋按等强度换算后为模型配筋, 纵筋种类与原型结构相同;砖砌体为普通烧结粘土砖, 经切割加工而成, 尺寸为115×60×53, 强度为MU10, 砌筑砂浆强度为M5。试件实测材料性能见表2。模型基座采用钢筋混凝土制作, 底座预留螺栓孔, 基座与振动台台面通过螺栓可靠连接;模型总重为19.81t, 其中基座重5.92t, 房屋自重12.78t, 配重1.11t。根据模型尺寸、材料参数及配重情况, 推导出模型与原型的主要动力相似关系如表3所示。

　　 规定模型结构纵墙轴线方向为X向, 横墙轴线方向为Y向。布置22个加速度传感器, 具体位置如下:在振动台台面中心X, Y向各布置1个, 模型的底座位置沿两个相互垂直方向 (X, Y) 每边中心各布置1个, 在屋面、楼面每边中心各布置1个, 并在每层1/2墙高处每边中心各布置1个 (图3) 。位移传感器主要布置在台面、楼面、屋顶的中心处, 本次振动台试验在模型上一共布置6个位移传感器 (模型加固后在屋顶四角另外布置4个) 。

　　 选取Ⅱ～Ⅲ类场地的两条天然地震波 (El Centro波、江油波) 和一条与Ⅱ类场地反应谱一致的人工波, 选取的地震波见表4。

　　 本次振动台试验的加载工况按照7度中震、8度中震、8.5度中震 (加固后模型增加9度中震、9度大震) 的顺序依次对模型进行模拟加载。在不同地震动水准加载工况前后, 对模型结构进行白噪声扫频 (0.05g) , 从而得到模型结构振型、频率等参数。试验加载工况见表5。

　　 加固前模型在工况2～7阶段, 模型背立面左侧窗洞左下角处沿灰缝斜向下产生长约1m左右的细微裂缝, 右侧窗洞右下角向上沿灰缝产生长约100mm的水平裂缝;在工况9～14阶段, 模型右侧立面沿底梁出现内外墙贯通的水平裂缝, 背立面窗间墙不断产生新的裂缝, 和原有裂缝贯通形成交叉裂缝, 并随加载不断发展变宽, 背立面开始有倾覆趋势;在工况16阶段, 模型左立面中上部产生一条长约2m左右的水平裂缝, 背立面东北角倾覆趋势明显, 背立面窗间墙的交叉形裂缝形成的三角形块体摇摇欲坠, 底层后墙严重损毁, 整体房屋濒临倒塌, 停止加载。

　　 从试验现象结果来看, 对于高烈度地区, 此类房屋不满足规范规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设防目标, 应采取一定的加固措施, 以提高其抗震能力。

　　 加固前模型结构布置不合理, 前柔后刚, 背立面墙体由于刚度大而吸收较多地震能量, 且背立面未设构造柱, 故模型背立面破坏严重;二层外挑导致刚度中心不对称, 产生的扭转效应会加重破坏, 且会产生整体倾覆, 故主要对震损模型墙体的背立面及其角部进行加固与修复。

　　 对通长裂缝每间隔10cm钻直径为15mm的孔, 用水泥浆进行灌浆处理, 以阻断裂缝贯通。

　　 进行窗间墙修复时, 首先用木柱顶住楼面大梁, 用方木顶住窗过梁, 拆除受损严重的窗间墙, 然后重新砌筑窗间墙。

　　 根据模型的震损情况, 参考地震中砌体结构的典型破坏特征^[8,9,10], 对震损模型进行下列加固:

　　 (1) 用角钢和膨胀螺丝将有倾覆趋势的背立面和两侧面角部固定在底梁上。

　　 (2) 采用钢筋网水泥砂浆面层加固方法对破坏严重的背立面和后墙两个角部进行整体加固。

　　 具体过程为:1) 用角钢将墙体和底梁固定在一起;2) 对背立面墙体进行砂浆抹面;3) 为拉结筋的布置钻孔, 并焊接钢筋;4) 分两层抹砂浆面层。加固范围为背立面外侧墙体和内侧一层墙体;对于后墙角部, 沿角部墙体外侧加固30cm, 墙体内侧加固15cm, 见图5～7。

　　 在工况2～14阶段, 加固后模型基本处于弹性阶段, 无裂缝产生;在工况16～21阶段, 模型四面墙体均开始出现细微裂缝, 左立面沿右下角墙体灰缝产生一条长约1.5 m左右的水平裂缝;在工况23～28阶段, 原有裂缝继续发展, 右立面形成交叉裂缝, 背立面二层窗洞及正立面窗洞周围产生新的细微裂缝;在工况30～35阶段, 模型晃动剧烈, 新的裂缝主要集中在背立面墙体窗洞周围, 但整体性保持良好 (图8) 。

　　 加固后模型结构在我国8度设防地区完全能满足规范规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设防目标, 说明此种加固方法可确实提高此类砖混房屋的抗震性能。

　　 加固前后模型X向和Y向自振频率随加速度峰值的变化见表6。由表6可知:

　　 (1) 对于X向, 从工况1～22, 随着地震动峰值加速度的增大, 加固前模型自振频率与初始值相比降低44.04%, 而加固后模型自振频率仅降低14.84%, 说明经抗震加固后, 模型结构X向的刚度增大, 抗震性能提高。

　　 (2) 对于Y向, 随着地震动峰值加速度的增大, 模型在经历同等工况加载后, 加固后模型结构的自振频率总是大于加固前模型结构, 且加固后模型结构在工况15～29阶段维持自振频率不变, 这是由于在此阶段, 加固后模型结构横墙受到两端构件的约束, 抑制了裂缝的继续发展, 使模型结构Y向没有积累损伤。说明加固后模型结构Y向的抗震性能也得到提高。

　　 加速度放大系数是对结构进行综合评价的一项重要指标, 它在一定程度上可以反映结构的破坏情况。加固前后模型加速度放大系数对比见图9及表7。由图9和表7可知:

　　 (1) 随着加载级数的变化, 模型加速度放大系数偶有增大, 这是由于模型自振频率接近地震动的卓越频率所引起的。

　　 (2) 加固前模型在破坏之前随着加载级数的变化, 楼面加速度放大系数出现增大现象, 而屋顶加速度放大系数却持续降低。这是由于模型后墙在加载过程中损伤严重, 导致破坏不能向上发展。

　　 (3) 加固后模型随着加载级数的变化, 加速度放大系数整体呈下降趋势, 这是由于随着加载级数的增加, 结构的内部损伤积累, 阻尼增大, 刚度降低, 但加速度放大系数整体变化不大, 相对平稳, 表现出加固后模型具有比较稳定的良好抗震性能, 这与试验出现的破坏现象吻合。

　　 加固前后模型的相对位移对比见图10及表8。由图10和表8可以看出:

　　 (1) 对于Y向, 在相同工况下, 加固后模型的一层相对位移大于加固前模型的一层相对位移, 但加固后模型的二层相对位移却小于加固前模型的二层相对位移。这是因为模型的一层在第一次振动台试验时内部损伤累计较多, 虽经过裂缝修复, 但损伤却依旧存在, 导致加固后模型一层相对位移大于加固前模型;模型二层在第一次振动台试验中没有造成太大的损伤, 并且加固后, 相当于在角部给横墙设置约束, 起到暗柱的作用, 从而增大二层的刚度, 导致加固后模型二层的相对位移小于加固前模型。

　　 (2) 加固前模型在工况16阶段, 加固后模型在工况35阶段, 加固后模型结构的相对位移明显大于未加固模型, 说明加固后的模型结构变形能力显著提高。

　　 截止到最后一级加载, 加固前模型结构的背立面一层窗间墙上形成严重的欲脱落的三角形块体, 裂缝最大宽度可达8mm;加固后模型结构的背立面的四个窗洞角部只产生向外延伸的细微裂缝。

　　 截止到最后一级加载, 加固前模型横墙上出现了由于抗剪能力不足而产生的水平裂缝, 其中左立面的底部、中上部和右立面的底部各产生一条水平裂缝;加固后模型结构的横墙上既出现了水平裂缝, 也出现了由主拉应力而引起的斜裂缝, 各裂缝相互连通, 在地震作用下持续张合, 但由于加固后横墙两端受到加固构件的约束, 在其平面内并无倒塌的趋势, 虽然裂缝数量多, 但并不影响结构继续承载, 说明模型整体的延性有所提高。

　　 截止到最后一级加载, 加固前模型结构的背立面墙角与底梁交界处产生水平贯通裂缝, 背立面右下角有脱离底座的趋势, 在试验过程中不断撞击底梁;加固后模型结构由于用角钢将此处与底梁牢牢固接, 所以墙体底部与底梁连接完好, 未产生任何破坏。

　　 在对村镇沿街低层砖混结构商铺房屋进行震害调查和调研的基础上, 以典型村镇沿街两层砖混结构商铺房屋为原型, 设计一个1/2缩尺模型, 通过模型加固前后的振动台试验, 得出以下结论:

　　 (1) 沿街两层砖混结构商铺房屋抗震构造措施不全, 结构布置不合理, 满足低烈度地区抗震设防要求, 但对于高烈度地区, 此类房屋不能满足抗震设防要求, 必须采取一定的加固措施。

　　 (2) 模型结构的破坏都是从沿着灰缝发展的裂缝开始的, 所以, 对于砖混结构而言, 要提高其整体抗震能力, 且砌筑砂浆强度的提高不容小视。

　　 (3) 通过采用窗间墙修复、通缝注浆修复墙体以及钢筋网水泥砂浆面层加固墙体的加固方法, 模型结构的整体性、变形能力有显著提高, 说明此种加固方法确实有效提高了沿街低层砖混商铺房屋的抗震性能, 完全满足我国8度设防地区规范规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”抗震设防目标。