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摘要：本文以某学校外挑式单面走廊小开间砌体房屋为例，利用PKPM软件和ANSYS分析软件对其进行抗震计算，分析其破坏特点和破坏原因。从中得出一些结论，对此类建筑的设计与加固具有一定的指导意义。
关键词：外挑式单面走廊；抗震计算；PKPM计算；ANSYS软件计算
Abstract: Making the small masonry building of a school outside pick-sided corridor as an example, this paper conducts the seismic calculation by employing the PKPM software and ANSYS software, and analyzes the characteristics and causes of the damage. Thus we get some conclusion, which has guiding significance for the design and reinforcement of such buildings.
Key words: outside pick-sided corridor; seismic calculation; PKPM calculation; ANSYS software calculation
中图分类号：TU973+.31文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
引言：
抗震设计规范随着国家经济条件和科学水平的提高，不断的修订、完善和更新。不同年代设计建造的房屋，其抗震性能和设防标准也不相同。因此，不同年代建造的各类房屋，其抗震性能存在很大差异。而现在所存在的按老规范建造的很多砌体结构建造时未考虑抗震设防,或者当时考虑的抗震设防不能满足现在的抗震设防要求，长时间使用后原结构会出现不同程度的老化,结构承载力进一步降低,严重影响结构安全,若要继续使用,需对原结构进行全面抗震鉴定,且按照新规范进行抗震验算并加固。特别是自汶川地震以来，对房屋抗震性能的要求尤为重要。本文就是以某学校外挑式单面走廊小开间宿舍办公楼为例，利用PKPM软件和ANSYS分析软件进行抗震计算，将结果进行对比分析，从而检测其是否满足现行的抗震设计规范，并从中得到一些结论，对此类建筑的设计与加固有一定的指导意义。
工程概况：
宿舍办公楼原设计为家属楼，始建于1987年，建筑面积970m2，室内外高差300mm。建筑物总长39.84m，宽度为6.54m，层高3.3m，总高9.9m。本工程为重复利用1985年某一办公楼工程施工图进行施工，建筑型式为三层外廊式砖混结构建筑；原设计开间为3.2m，进深6m，用于本工程改为开间3m，进深6.3m；局部8-14轴线开间为3.1m（原设计开间为3m），进深由6m改为6.3m；楼梯间开间原设计为3.2m，用于本工程改为3m。原挑梁由A轴线外挑1.685m，用于本工程改为1.7m，挑梁头加现浇立柱，砖砌栏板。门窗位置做了调整但大小不变。楼梯间设置与建筑物的中部。结构形式总体较为规整，简单。
该工程结构为砖混结构，外挑式单面走廊。设计图中未标明抗震设防等级，但在构造上参照了标准图集3AG001的有关做法。上部结构：钢筋混凝土梁为200#（计算取C18），墙体为机砖75#（计算取MU10），砂浆50#(计算取M5)。楼板采用预制空心楼板KB30-54-3，屋面设预制挑檐板，外挑620 mm。该建筑的建筑平面图如图所示。
1.采用PKPM建模计算
混凝土等级：C18；容重25KN/m3；设计地震分组：第一组，设防烈度为8度（0.2g），场地类别为2类；砌体容重取为22KN/m3。
（1）荷载取值：
楼面恒载：地面做法采用地板砖，0.7 KN/m2，板底抹灰0.35 KN/m2,因此楼面恒载为0.7+0.35=1.05 KN/m2
楼面活载：依据建筑结构荷载规范，办公室、教学楼等建筑，取楼面活荷载为2 KN/m2，走廊活荷载为2.5 KN/m2，楼梯间3.5 KN/m2。
屋面恒载：屋面防水层、保温层、以及结合层共考虑为3 KN/m2，板底抹灰为0.35 KN/m2，因此屋面总的恒载为3+0.35=3.35 KN/m2。
屋面活载：不上人屋面，活荷载采用不上人屋面活荷载（0.5 KN/m2）和雪荷载（0.4 KN/m2）中的较大值，故取为0.5 KN/m2。
楼梯间的计算：楼梯中间平台上的卫生间和储藏间的自重化为均布恒载，与楼梯本身的恒载和自重一起，按照线荷载的形式加在楼梯梁和墙上，具体荷载值见模型图；楼梯间的活载按消防楼梯取值为3.5 KN/m2，在荷载传递过程中按双向传递计算。
挑梁头的现浇立柱计算：将其自重当作集中恒载加在挑梁与连梁的节点上，其值为0.52KN。
走廊栏杆的计算：均按线荷载的方式加在梁顶，其值为5.52 KN/m2。
挑檐的计算：整个挑檐板及檐口的自重按照线荷载的方式加在四周墙上和梁上，加在墙上的值为4.3 KN/m2，加在梁上的为2.7 KN/m2。
（2）地震动参数选取：
地震特征周期值:Tg=0.35s，地震影响系数最大值:αmax=0.16，基本震型个数：3个。
（3）PKPM計算结果分析按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)进行验算,具体计算结果如下图所示。
计算分析结果表明,按设防烈度为8度的情况下,该房屋一层、二层、三层均有墙体不满足抗震要求。如一层的A轴墙体, A轴线上1轴线和7轴线之间、10轴线和11轴线、12轴线和13轴线之间的墙段,以及B轴墙体，B轴线与2轴线、4轴线、6轴线、9轴线、11轴线、13轴线交接处的墙段(图中括号内抗力与效应比小于1的数字)。二层A轴墙体，A轴线上1轴线和2轴线之间的墙段,A轴线与4轴线、9轴线、11轴线、13轴线交接处的墙段，以及B轴墙体，B轴线与2轴线、4轴线、6轴线、9轴线、11轴线、13轴线交接处的墙段。三层B轴线上7轴线与8轴线之间的墙段。其中有些墙段抗力与效应之比不足0.6。
2.采用ANSYS软件建模计算
ANSYS建模计算时所有尺寸和荷载取值均和PKPM相同。
在建模计算的过程中，单元类型采用SOLID45。材料属性砖墙密度为2.2*103kg/m3,弹性模量为2400N/mm2,泊松比为0.15；构造柱、梁、板密度为2.5*103kg/m3，弹性模量为24100 N/mm2，泊松比为0.2.
在计算的过程中，地震特征周期值:Tg=0.35s，地震影响系数最大值αmax=0.16，阻尼比C=0.05;先对结构进行模态分析（利用子空间迭代法提取八阶模态）得到结构的自振频率；然后在X、Z两个方向对结构进行地震反应谱分析（单点反应谱）得到结构在地震作用下的变形图和应力图；最后对结构进行静力计算，并将静力计算结果和地震分析结果进行荷载工况组合，按照规范去地震作用组合系数1.3，得到结构最后的应力应变图形。
（1）模态分析结果
模态分析得到的八阶自振频率与周期为：
（2）结构变形结果
X方向地震变形图
Z方向地震变形图
根据X、Z两个方向的变形图可以看出，本结构最大变形为X方向2.858mm、Z方向2.038mm，均出现在结构顶部悬挑出来的楼板处；对于结构顶部有两处楼板凹陷，其原因是楼板凹陷處为大开间，没有横墙的支持，刚度减小；对于楼梯间平台梁变形较大，其原因是在计算的过程中将楼梯间荷载一部分加到了平台梁上，使平台梁上荷载增大。
（3）结构应力分布结果
在对结构进行X、Z两个方向地震计算时，选其最大应力分布图进行分析。
第一主应力分布图
第三主应力分布图
Z方向应力分布图
YZ方向剪应力分布图
由应力图可以看出，最大压应力为24.264Mp，最大拉应力为15.338Mp，YZ平面内最大剪应力为9.16Mp，均出现在构造柱与挑梁交接处。而规范规定的容许值为：
可见在构造柱和挑梁交接处的压应力和拉应力最大值均已超过混凝土规范容许值、剪应力最大值也超过了截面的抗剪承载力，构造柱和挑梁已达到破坏；而其他构造柱与挑梁的破坏位置也主要存在于交接处；由Z方向应力分布图、YZ方向剪力图可以看到，楼板的破坏主要是在楼板连接处受拉受剪破坏。
从上面的应力图中墙体的破坏不明显，但通过对墙体节点应力的提取，发现位于第一层第二层纵墙门窗洞口四周的有些节点剪应力和拉应力超过了规范容许值，在这些部位的墙体发生局部破坏。
3.数据分析
PKPM计算快捷，操作方便，但得到验算结果只是一个整体结果，无法反映实际结构上的应力应变分布以及局部应力值的大小；而ANSYS分析软件可以得到结构的应力应变分布情况，对PKPM的分析结果给予很好的补充。
对于墙体的破坏，PKPM计算的结果是一层二层的纵墙不满足抗震规范，而ANSYS分析也验证了这一结果，并从ANSYS应力分布图中可以看出，主要是门窗洞口四周的墙体剪切破坏和受拉破坏。其原因是：纵墙开洞率太大，墙体刚度和承载能力减小，使得刚度在墙体高度范围分布不均匀，在刚度变化处，即在门窗洞口四周，容易形成应力集中。
对于构造柱、挑梁和预制板的破坏，PKPM计算没有能反映出这一结果，而从ANSYS应力分布图上可以看到这一结果。其破坏的原因主要是：
（1）构件强度太低，构造柱、挑梁，预制板混凝土强度等级不应低于C20，本工程混凝土的强度等级（200#相当于C18）。
（2）构造柱与挑梁交接处受力复杂，形成应力集中，使其在交接处产生局部破坏。
（3）在预制楼板之间的连接部位以及单面走廊的预制楼板与墙体的连接部位，楼板在墙上的支撑长度不够，连接不牢固，连接强度不满足抗拉抗剪承载力的要求，产生了受拉受剪破坏。
4.结论
（1）在地震作用下，墙体的破坏主要集中在门窗洞口的四周；在对房屋进行设计时，应减小门窗洞口的尺寸，降低墙体的开洞率。
（2）构造柱与梁或楼板的交接处容易产生应力集中，在设计时，应在构造柱与梁或楼板交接处加密配筋。
（3）预制楼板之间的连接不牢固，其连接部位易发生受拉受剪破坏。设计时，应加强预制板之间的连接、预制板与墙体的搭接，或者在预制板之间、预制板与墙体之间用钢筋相互拉结。
参考文献
[1]郭樟根,孙伟民,倪天宇，丁帅，沈丹，汶川地震中小学校建筑震害调查及抗震性能分析，南京工业大学学报，2009
[2]崔莹，低层砌体结构房屋的抗震性能评价，科学技术与工程，2007
[3]李英民,韩军,刘立平，ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究[J]，重庆建筑大学学报，2006
[4]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）
[5]砌体结构规范（GB 50003-2001）
[6]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）
关键词：外挑式单面走廊；抗震计算；PKPM计算；ANSYS软件计算
Abstract: Making the small masonry building of a school outside pick-sided corridor as an example, this paper conducts the seismic calculation by employing the PKPM software and ANSYS software, and analyzes the characteristics and causes of the damage. Thus we get some conclusion, which has guiding significance for the design and reinforcement of such buildings.
Key words: outside pick-sided corridor; seismic calculation; PKPM calculation; ANSYS software calculation
中图分类号：TU973+.31文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
引言：
抗震设计规范随着国家经济条件和科学水平的提高，不断的修订、完善和更新。不同年代设计建造的房屋，其抗震性能和设防标准也不相同。因此，不同年代建造的各类房屋，其抗震性能存在很大差异。而现在所存在的按老规范建造的很多砌体结构建造时未考虑抗震设防,或者当时考虑的抗震设防不能满足现在的抗震设防要求，长时间使用后原结构会出现不同程度的老化,结构承载力进一步降低,严重影响结构安全,若要继续使用,需对原结构进行全面抗震鉴定,且按照新规范进行抗震验算并加固。特别是自汶川地震以来，对房屋抗震性能的要求尤为重要。本文就是以某学校外挑式单面走廊小开间宿舍办公楼为例，利用PKPM软件和ANSYS分析软件进行抗震计算，将结果进行对比分析，从而检测其是否满足现行的抗震设计规范，并从中得到一些结论，对此类建筑的设计与加固有一定的指导意义。
工程概况：
宿舍办公楼原设计为家属楼，始建于1987年，建筑面积970m2，室内外高差300mm。建筑物总长39.84m，宽度为6.54m，层高3.3m，总高9.9m。本工程为重复利用1985年某一办公楼工程施工图进行施工，建筑型式为三层外廊式砖混结构建筑；原设计开间为3.2m，进深6m，用于本工程改为开间3m，进深6.3m；局部8-14轴线开间为3.1m（原设计开间为3m），进深由6m改为6.3m；楼梯间开间原设计为3.2m，用于本工程改为3m。原挑梁由A轴线外挑1.685m，用于本工程改为1.7m，挑梁头加现浇立柱，砖砌栏板。门窗位置做了调整但大小不变。楼梯间设置与建筑物的中部。结构形式总体较为规整，简单。
该工程结构为砖混结构，外挑式单面走廊。设计图中未标明抗震设防等级，但在构造上参照了标准图集3AG001的有关做法。上部结构：钢筋混凝土梁为200#（计算取C18），墙体为机砖75#（计算取MU10），砂浆50#(计算取M5)。楼板采用预制空心楼板KB30-54-3，屋面设预制挑檐板，外挑620 mm。该建筑的建筑平面图如图所示。
1.采用PKPM建模计算
混凝土等级：C18；容重25KN/m3；设计地震分组：第一组，设防烈度为8度（0.2g），场地类别为2类；砌体容重取为22KN/m3。
（1）荷载取值：
楼面恒载：地面做法采用地板砖，0.7 KN/m2，板底抹灰0.35 KN/m2,因此楼面恒载为0.7+0.35=1.05 KN/m2
楼面活载：依据建筑结构荷载规范，办公室、教学楼等建筑，取楼面活荷载为2 KN/m2，走廊活荷载为2.5 KN/m2，楼梯间3.5 KN/m2。
屋面恒载：屋面防水层、保温层、以及结合层共考虑为3 KN/m2，板底抹灰为0.35 KN/m2，因此屋面总的恒载为3+0.35=3.35 KN/m2。
屋面活载：不上人屋面，活荷载采用不上人屋面活荷载（0.5 KN/m2）和雪荷载（0.4 KN/m2）中的较大值，故取为0.5 KN/m2。
楼梯间的计算：楼梯中间平台上的卫生间和储藏间的自重化为均布恒载，与楼梯本身的恒载和自重一起，按照线荷载的形式加在楼梯梁和墙上，具体荷载值见模型图；楼梯间的活载按消防楼梯取值为3.5 KN/m2，在荷载传递过程中按双向传递计算。
挑梁头的现浇立柱计算：将其自重当作集中恒载加在挑梁与连梁的节点上，其值为0.52KN。
走廊栏杆的计算：均按线荷载的方式加在梁顶，其值为5.52 KN/m2。
挑檐的计算：整个挑檐板及檐口的自重按照线荷载的方式加在四周墙上和梁上，加在墙上的值为4.3 KN/m2，加在梁上的为2.7 KN/m2。
（2）地震动参数选取：
地震特征周期值:Tg=0.35s，地震影响系数最大值:αmax=0.16，基本震型个数：3个。
（3）PKPM計算结果分析按照《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)进行验算,具体计算结果如下图所示。
计算分析结果表明,按设防烈度为8度的情况下,该房屋一层、二层、三层均有墙体不满足抗震要求。如一层的A轴墙体, A轴线上1轴线和7轴线之间、10轴线和11轴线、12轴线和13轴线之间的墙段,以及B轴墙体，B轴线与2轴线、4轴线、6轴线、9轴线、11轴线、13轴线交接处的墙段(图中括号内抗力与效应比小于1的数字)。二层A轴墙体，A轴线上1轴线和2轴线之间的墙段,A轴线与4轴线、9轴线、11轴线、13轴线交接处的墙段，以及B轴墙体，B轴线与2轴线、4轴线、6轴线、9轴线、11轴线、13轴线交接处的墙段。三层B轴线上7轴线与8轴线之间的墙段。其中有些墙段抗力与效应之比不足0.6。
2.采用ANSYS软件建模计算
ANSYS建模计算时所有尺寸和荷载取值均和PKPM相同。
在建模计算的过程中，单元类型采用SOLID45。材料属性砖墙密度为2.2*103kg/m3,弹性模量为2400N/mm2,泊松比为0.15；构造柱、梁、板密度为2.5*103kg/m3，弹性模量为24100 N/mm2，泊松比为0.2.
在计算的过程中，地震特征周期值:Tg=0.35s，地震影响系数最大值αmax=0.16，阻尼比C=0.05;先对结构进行模态分析（利用子空间迭代法提取八阶模态）得到结构的自振频率；然后在X、Z两个方向对结构进行地震反应谱分析（单点反应谱）得到结构在地震作用下的变形图和应力图；最后对结构进行静力计算，并将静力计算结果和地震分析结果进行荷载工况组合，按照规范去地震作用组合系数1.3，得到结构最后的应力应变图形。
（1）模态分析结果
模态分析得到的八阶自振频率与周期为：
（2）结构变形结果
X方向地震变形图
Z方向地震变形图
根据X、Z两个方向的变形图可以看出，本结构最大变形为X方向2.858mm、Z方向2.038mm，均出现在结构顶部悬挑出来的楼板处；对于结构顶部有两处楼板凹陷，其原因是楼板凹陷處为大开间，没有横墙的支持，刚度减小；对于楼梯间平台梁变形较大，其原因是在计算的过程中将楼梯间荷载一部分加到了平台梁上，使平台梁上荷载增大。
（3）结构应力分布结果
在对结构进行X、Z两个方向地震计算时，选其最大应力分布图进行分析。
第一主应力分布图
第三主应力分布图
Z方向应力分布图
YZ方向剪应力分布图
由应力图可以看出，最大压应力为24.264Mp，最大拉应力为15.338Mp，YZ平面内最大剪应力为9.16Mp，均出现在构造柱与挑梁交接处。而规范规定的容许值为：
可见在构造柱和挑梁交接处的压应力和拉应力最大值均已超过混凝土规范容许值、剪应力最大值也超过了截面的抗剪承载力，构造柱和挑梁已达到破坏；而其他构造柱与挑梁的破坏位置也主要存在于交接处；由Z方向应力分布图、YZ方向剪力图可以看到，楼板的破坏主要是在楼板连接处受拉受剪破坏。
从上面的应力图中墙体的破坏不明显，但通过对墙体节点应力的提取，发现位于第一层第二层纵墙门窗洞口四周的有些节点剪应力和拉应力超过了规范容许值，在这些部位的墙体发生局部破坏。
3.数据分析
PKPM计算快捷，操作方便，但得到验算结果只是一个整体结果，无法反映实际结构上的应力应变分布以及局部应力值的大小；而ANSYS分析软件可以得到结构的应力应变分布情况，对PKPM的分析结果给予很好的补充。
对于墙体的破坏，PKPM计算的结果是一层二层的纵墙不满足抗震规范，而ANSYS分析也验证了这一结果，并从ANSYS应力分布图中可以看出，主要是门窗洞口四周的墙体剪切破坏和受拉破坏。其原因是：纵墙开洞率太大，墙体刚度和承载能力减小，使得刚度在墙体高度范围分布不均匀，在刚度变化处，即在门窗洞口四周，容易形成应力集中。
对于构造柱、挑梁和预制板的破坏，PKPM计算没有能反映出这一结果，而从ANSYS应力分布图上可以看到这一结果。其破坏的原因主要是：
（1）构件强度太低，构造柱、挑梁，预制板混凝土强度等级不应低于C20，本工程混凝土的强度等级（200#相当于C18）。
（2）构造柱与挑梁交接处受力复杂，形成应力集中，使其在交接处产生局部破坏。
（3）在预制楼板之间的连接部位以及单面走廊的预制楼板与墙体的连接部位，楼板在墙上的支撑长度不够，连接不牢固，连接强度不满足抗拉抗剪承载力的要求，产生了受拉受剪破坏。
4.结论
（1）在地震作用下，墙体的破坏主要集中在门窗洞口的四周；在对房屋进行设计时，应减小门窗洞口的尺寸，降低墙体的开洞率。
（2）构造柱与梁或楼板的交接处容易产生应力集中，在设计时，应在构造柱与梁或楼板交接处加密配筋。
（3）预制楼板之间的连接不牢固，其连接部位易发生受拉受剪破坏。设计时，应加强预制板之间的连接、预制板与墙体的搭接，或者在预制板之间、预制板与墙体之间用钢筋相互拉结。
参考文献
[1]郭樟根,孙伟民,倪天宇，丁帅，沈丹，汶川地震中小学校建筑震害调查及抗震性能分析，南京工业大学学报，2009
[2]崔莹，低层砌体结构房屋的抗震性能评价，科学技术与工程，2007
[3]李英民,韩军,刘立平，ANSYS在砌体结构非线性有限元分析中的应用研究[J]，重庆建筑大学学报，2006
[4]建筑抗震设计规范（GB50011-2010）
[5]砌体结构规范（GB 50003-2001）
[6]混凝土结构设计规范（GB50010-2010）