約束蒸壓粉煤灰磚砌體結構抗震性能研究

張號進,熊立紅,馮 付

（天津城市建設學院天津市軟土特性與工程環境重點實驗室,天津 300384）

近年來,隨著墻體材料改革的不斷深入,積極開發和發展節能、節地、利廢的新型墻體材料變得至關重要。蒸壓粉煤灰磚是以粉煤灰、石灰或水泥為主要原料,摻加適量石膏和集料經高壓蒸汽養護制成的粉煤灰磚。其具有節約土地、保護環境、節能利廢等優點成為中國墻體材料的主導產品之一。蒸壓粉煤灰磚做為一種新型墻體材料,要想其在地震區推廣應用,對蒸壓粉煤灰磚砌體結構抗震性能的研究尤為重要。本文針對兩棟典型約束蒸壓粉煤灰磚砌體結構進行了非線性地震反應分析,研究其抗震性能。

1 墻體強度和變形研究

在砌體結構中,承重墻體構件抗剪承載力是評定其抗震能力的重要指標。目前我國度量無筋砌體抗剪強度理論主要有兩種:主拉應力破壞理論和庫侖破壞理論。大量文獻都以這兩種強度理論為基礎,得出了各種砌塊墻體抗剪承載力公式。

1.1 抗剪承載力計算公式

文獻[1]中通過對31片蒸壓粉煤灰墻體試驗數據進行數據擬合,建立了墻體抗剪強度平均值計算式公式

式中 σ0—作用在墻體上的正應力;fvo,m—非抗震設計的砌體抗剪強度平均值。可按式（2）[2]計算。

式中f2—為砂漿抗壓強度平均值;k5—對于蒸壓粉煤灰磚k5=0.09。

那么,蒸壓粉煤灰磚墻體的平均極限抗剪承載力為

式中Vum—蒸壓粉煤灰墻體平均極限抗剪承載力;A—墻體橫截面面積。

對于設置構造柱的墻體,文獻[3]給出了構造柱平均抗剪承載力Vcm為

式中 fcm—構造柱混凝土構件抗壓強度平均值;Ac—構造柱混凝土橫截面總面積;fym—構造柱縱向鋼筋屈服強度平均值;As—構造柱縱向鋼筋橫截面總面積;fym'—構造柱箍筋屈服強度平均值;Ast—構造柱箍筋橫截面總面積;s—箍筋間距;h'—箍筋沿抗剪方向的長度。

由式（3）和式（4）得出約束蒸壓粉煤灰磚墻體的平均極限抗剪承載力

式中 η—構造柱工作系數,η按文獻[3]取值。

利用式（5）對另外20片蒸壓粉煤灰磚墻體的截面抗震受剪承載力進行了計算,并對計算結果和試驗結果[4-6]進行了比較,如表1所示。

由表1數據可以得出,試驗值與計算值之比的平均值M=1.12,變異系數Cv=0.17。可見式（5）具有較滿意的精度。

1.2 恢復力模型建立

參考大量試驗數據[4-10],從蒸壓粉煤灰磚墻體在水平低周反復荷載試驗下滯回曲線可以看出,墻體出現了明顯的剛度退化。本文將層間恢復力計算模型取為了四折線一退化剛度模型（圖1）。其中OA、AB、BC、CD和DE區段分別代表彈性狀態、輕微破壞狀態、中等破壞狀態、嚴重破壞狀態和倒塌狀態。其中極限強度 Vu由式（5）計算,各控制點的參數計算如表2所示。

表1 墻片抗震抗剪承載力比較Tab.1 The comparison of the wall of resistance cut

表2 恢復力模型相關參數計算Tab.2 Related parameters to calculate of recovery model

2 算例分析

2.1 工程概況

以兩棟典型蒸壓粉煤灰磚砌塊結構為例,結構一為7層房屋,結構二為6層房屋。抗震設防烈度分別為:結構一7度、結構二8度,場地類別都為Ⅱ類,設計地震分組為第一組;樓層層高均為2.8 m,采用MU15蒸壓粉煤灰磚,砂漿強度等級為M15,構造柱和圈梁采用C20混凝土;樓板和屋面均采用現澆鋼筋混凝土板,屋蓋板厚120 mm,樓蓋100 mm,各層的樓板處均設置現澆鋼筋混凝土圈梁 ,寬度 240 mm,配筋 4φ12,箍筋 φ6,間距 200 mm;根據文獻[2],構造柱分別按7度和8度設防要求布置,構造柱截面尺寸為240mm×240 mm,縱向鋼筋為 4φ12,箍筋 φ6,箍筋間距為200 mm。

結構一底層層間極限抗震剪切承載力為17 125.36 kN,其中構造柱極限抗震剪切承載力為1 376.52 kN,占層間極限抗震剪切承載力的8.04%;結構二底層層間極限抗震剪切承載力為16 091.79 kN,其中構造柱極限抗震剪切承載力為1 626.55 kN,占層間極限抗震剪切承載力的10.11%。

2.2 地震記錄的選取和調整

根據該建筑物所在場地土類型和設計地震分組,按建筑抗震設計規范（GB50011-2001）,選擇兩條Northridge-01波地震記錄（地震動水平分量分別為NORTHR/JEN022,NORTHR/JEN292;卓越周期分別為0.36 s,0.34 s）和EL-Centro波地震記錄（卓越周期為0.41 s）,共三條反映本算例Ⅱ類場地的地震記錄。對于結構一,將輸入的3條地震加速度峰值分別調整為7度和8度區多遇地震、設防烈度、罕遇地震的幅值;對于結構二,將輸入的3條地震加速度峰值分別調整為8度和9度區多遇地震、設防烈度、罕遇地震的幅值,分別對兩棟蒸壓粉煤灰磚砌塊結構進行地震反應分析。

2.3 計算結果及分析

最大層間位移反應:圖2為輸入不同地震加速度峰值條件下,兩棟蒸壓粉煤灰磚砌體結構的各層最大層間位移平均值沿高度分布。由圖2可知,對于結構一在輸入地震加速度峰值小于310 gal時,層間位移隨著層高的增加而減小,結構的層間位移均小于開裂位移1.75 mm,表明此時結構樓層處于彈性狀態。在輸入地震加速度峰值等于310 gal時,一層和二層層間位移大于開裂位移1.75 mm,而且第二層層間位移沿高度分布出現轉折點,表明此時該結構樓層處于輕微破壞狀態,結構薄弱層出現在第二層。在輸入地震加速度峰值等于400 gal時（相當于設防烈度為8度罕遇地震）,一到四層層間位移大于開裂位移1.75 mm,而且首層層間位移為2.62 mm,表明此時該結構樓層處于輕微破壞狀態,層間位移變化逐漸加劇。在輸入地震加速度峰值等于510 gal時（相當于設防烈度為8度罕遇地震）,一到四層層間位移大于開裂位移1.75 mm,而且首層層間位移為3.12 mm,接近屈服位移4.00 mm,表明此時該結構樓層處于中等破壞狀態。

對于結構二在輸入地震加速度峰值小于400 gal時,位移隨著層高的增加而減小,結構的層間位移均小于開裂位移1.75 mm,表明此時結構體系處于彈性狀態。在輸入地震加速度峰值等于400 gal時,一到二層層間位移大于開裂位移1.75 mm,而且第二層層間位移沿高度分布出現折點,表明此時該結構樓層處于輕微破壞狀態,結構的薄弱層出現在第二層。在輸入地震加速度峰值等于510 gal時,一到三層層間位移大于開裂位移1.75 mm,而且首層層層間位移為3.05 mm,接近屈服位移4.00 mm,表明此時該結構樓層處于中等破壞狀態。在輸入地震加速度峰值等于620 gal時（相當于設防烈度為9度罕遇地震）,一到四層層間位移大于開裂位移1.75 mm,而且首層層間位移為3.89 mm,接近屈服位移4.00mm,第二層層間位移為4.01 mm,大于屈服位移4.00 mm,表明此時該結構樓層處于中等破壞狀態,結構的薄弱層出現在第二層。從結構一和結構二的最大層間位移反應來看,該種約束蒸壓粉煤灰磚砌體結構不僅滿足該地區的抗震設防要求,而且其抗震能力可以提高一度。

最大加速度反應:圖3為輸入不同地震加速度峰值條件下,兩棟蒸壓粉煤灰磚砌體結構的各樓層加速度反應平均值沿高度分布圖。由圖3可知,結構一和結構二在不同輸入地震加速度峰值條件下,結構的最大樓層加速度沿高度基本為倒三角分布,底層加速度最小,頂層對加速度的反應較為敏感。結構一在輸入地震加速度峰值為510 gal時,即在8度罕遇地震下,第四層加速度反應發生突變。結構二在輸入地震加速度峰值為620 gal時,即在9度罕遇地震下,第四層的加速度反應發生突變。表明這兩棟結構在罕遇地震下,結構第四層出現破壞,使得結構的第四層剛度降低,阻尼增大,最大加速度反應變大。

最大層間剪力反應:圖4為輸入不同地震加速度峰值條件下,兩棟蒸壓粉煤灰磚砌體結構的最大層間剪力平均值沿高度分布圖。由圖4可知,結構一和結構二在不同輸入地震加速度峰值條件下,最大層間剪力隨著樓層的增加逐漸降低,最大層間剪力出現在首層。

3 結論

1）通過理論研究和試驗對比,式（5）可以作為蒸壓粉煤灰磚砌體結構極限抗震剪切承載力計算公式,具有較好的精確度。

2）約束砌體結構具有良好的抗震性能,其抗震能力可提高一度。

（3）構造柱不僅是房屋抗倒塌的重要措施,還是承受地震作用的受力構件,分別承擔著8.04%和10.11%的抗剪承載力,對于每開間均設構造柱的房屋,考慮構造柱的抗剪作用更為合理。

[1]韓春.蒸壓粉煤灰磚柱與墻體抗震性能的試驗研究[D].西安:西安建筑科技大學,2009.

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