裝配式構(gòu)造柱及圈梁加固砌體墻抗震性能計算

李杰，張玉敏

（華北理工大學(xué) 河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009）

我國的結(jié)構(gòu)抗震研究者對唐山大地震中遺留的房屋進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在砌體結(jié)構(gòu)中布置構(gòu)造柱、圈梁具有很好的抗震性能。此后，把在砌體結(jié)構(gòu)中布置構(gòu)造柱、圈梁納入了抗震規(guī)范中。當(dāng)墻體在地震作用下發(fā)生水平變形后，構(gòu)造柱和圈梁能有效約束墻體，提高砌體結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能，使砌體墻在遭受大震時做到裂而不倒，這項技術(shù)也已得到實際地震的檢驗，被國內(nèi)外學(xué)者所認(rèn)同。但由于現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁的造價相對較高、施工工期長等原因，使得現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁在村鎮(zhèn)建筑中難以落實。研究者對墻體和構(gòu)造柱及圈梁的材料和結(jié)構(gòu)形式等不論是試驗還是數(shù)值分析方面都進(jìn)行了諸多探討研究［1－9］。而裝配式構(gòu)造柱及圈梁形式在各個方面展現(xiàn)出的特點(diǎn)，引起了人們的關(guān)注。構(gòu)造柱及圈梁是由加工好的預(yù)制塊砌筑而成，將傳統(tǒng)圈梁、構(gòu)造柱的現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工工藝改變?yōu)橐云鲋橹鞯氖┕ぃ⒆鳛榇彐?zhèn)房屋中的主要承重構(gòu)件，推廣應(yīng)用到除磚砌體之外的其他類型村鎮(zhèn)建筑中，增強(qiáng)村鎮(zhèn)建筑房屋抗震加固的可操作性。

試件模型示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 構(gòu)造柱及圈梁砌塊尺寸

圖2 墻體示意圖

這種裝配式構(gòu)造柱及圈梁技術(shù)解決了傳統(tǒng)構(gòu)造柱在村鎮(zhèn)建筑中難以落實使用的問題，具有造價低廉（芯柱式構(gòu)造柱無需木工支模）、不影響工期（可隨墻體同時砌筑）、施工工藝要求簡單（可充分發(fā)揮農(nóng)村泥瓦匠的砌筑工藝、易操作）、原材料質(zhì)量有保證等特點(diǎn)（預(yù)制塊由預(yù)制廠生產(chǎn)，工廠化生產(chǎn)便于質(zhì)量監(jiān)控）。但由于裝配式構(gòu)造柱與外部砌體墻及內(nèi)部芯柱的粘結(jié)性能與現(xiàn)澆式構(gòu)造柱及圈梁的粘結(jié)性能不同，因此對于其抗震性能應(yīng)當(dāng)做進(jìn)一步的分析研究。至今已經(jīng)開展了若干研究工作，其中多數(shù)為試驗研究工作，然而試驗工作往往受到許多因素的限制，而使用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬越來越廣泛，并且可以實現(xiàn)多組次參數(shù)的模擬。本文采用非線性有限元軟件ADINA對砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，建立3個有限元模型，分別是（1）裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻；（2）現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻；（3）無構(gòu)造柱墻。對比3種不同約束條件在水平力作用下墻體的變形及破壞特點(diǎn)，分析裝配式構(gòu)造柱及圈梁的抗震性能。為裝配式構(gòu)造柱及圈梁在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用與發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 計算模型建立

1.1 幾何模型

本文使用有限元軟件ADINA依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立整體式有限元模型，根據(jù)對墻體約束的不同，建立裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻體、現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻體和無構(gòu)造柱墻體，結(jié)合模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析，綜合評價裝配式構(gòu)造柱及圈梁對砌體的抗震性能。

1.2 單元類型及材料參數(shù)

構(gòu)造柱、圈梁、砌體、地梁均采用3－D Solid單元，鋼筋采用Truss單元中的Rebar，在Rebar中添加代表鋼筋的直線。構(gòu)造柱、圈梁、砌體、地梁均采用整體建模。裝配式構(gòu)造柱及圈梁的彈性模量使用等效彈性模量。所有材料參數(shù)如表1所示：

表1 材料參數(shù)

2 計算結(jié)果及分析

2.1 水平荷載作用下墻體頂點(diǎn)位移－荷載對比分析

圖3為裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻體（簡稱裝配）、現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻體（簡稱現(xiàn)澆）和無構(gòu)造柱墻體（簡稱素墻）在水平荷載作用下，水平縱向和垂直方向的墻頂位移。豎軸表示荷載步，橫軸表示墻體頂點(diǎn)位移大小，單位為mm。施加在墻體上的水平荷載大小為100kN，分10個荷載步逐級增加，即每增加一個荷載步，荷載增大10kN。

從圖3中可以看出，設(shè)置構(gòu)造柱以后，在水平荷載作用下，墻頂水平位移明顯減小，破壞時僅為無構(gòu)造柱墻體的30%左右。因此墻體水平抗側(cè)移剛度增加，提高了墻體的抗倒塌能力。

在2個方向，裝配式組合墻體與現(xiàn)澆式組合墻體的位移有差異，但是二者相差不大。

圖3 墻頂位移圖

2.2 水平荷載作用下墻體應(yīng)變分析

施加在墻體上的水平荷載大小為100kN，分100個時間步逐級增加。例如TIME為0.400時，對應(yīng)的荷載大小為4kN。通過觀察不同約束形式下的墻體在水平荷載作用下應(yīng)變的發(fā)展過程，可以間接得出在水平荷載作用下墻體各個構(gòu)件的受力和破壞特點(diǎn)，從而科學(xué)地評價出裝配式構(gòu)造柱及圈梁對砌體墻的抗震性能。圖4為無構(gòu)造柱墻體在水平荷載作用下的累積有效塑性應(yīng)變過程圖，圖5為現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁加固墻體在水平荷載作用下的累積有效塑性應(yīng)變過程圖，圖6為裝配式構(gòu)造柱及圈梁加固墻體在水平荷載作用下的累積有效塑性應(yīng)變過程圖。而圖4、圖5、圖6中的圖（a）都表示塑性應(yīng)變最先出現(xiàn)在墻體的位置，圖（b）都表示塑性應(yīng)變約占一半砌體墻的應(yīng)變圖，圖（c）都表示塑性應(yīng)變約占整個砌體墻的應(yīng)變圖，圖（d）都表示在水平荷載作用下最終的墻體塑性應(yīng)變圖。通過這些有代表性的墻體塑性應(yīng)變圖，對比分析得出3種不同約束形式的墻體各自的力學(xué)性能和特點(diǎn)。

圖4 無構(gòu)造柱墻體累積有效塑性應(yīng)變圖

圖5 現(xiàn)澆構(gòu)造柱加固墻墻體累積有效塑性應(yīng)變圖

圖6 裝配式構(gòu)造柱加固墻墻體累積有效塑性應(yīng)變圖

從圖4、圖5及圖6可以看出，對于無構(gòu)造柱墻體，墻體的塑性應(yīng)變較設(shè)置構(gòu)造柱及圈梁組合墻體出現(xiàn)的較早，并且隨著荷載的進(jìn)一步加大，墻體的塑性變形由墻體角部與地梁的接觸部位向中間擴(kuò)展的速度非常明顯。當(dāng)加載到一定值后，塑性變形增長緩慢。在此加載階段之后，主要由地梁承擔(dān)荷載及變形，這表明磚砌墻體已達(dá)到極限應(yīng)變。從出現(xiàn)塑性應(yīng)變到塑性應(yīng)變遍布整個墻體，墻體所承受的荷載較設(shè)置構(gòu)造柱及圈梁的墻體降低50%左右，無構(gòu)造柱墻體表現(xiàn)出明顯的脆性。

從圖5及圖6可進(jìn)一步看出，現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻體在荷載作用下的塑性應(yīng)變過程與裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻體的變化形式類似。從對墻體施加荷載到墻體出現(xiàn)第一處塑性應(yīng)變前，在此階段，就砌體而言，可以認(rèn)為整個組合墻體處于彈性階段。不同于無構(gòu)造柱墻的塑性應(yīng)變最先出現(xiàn)于墻體外側(cè)邊緣，設(shè)置構(gòu)造柱及圈梁的加固墻體的塑性應(yīng)變都首先出現(xiàn)于磚砌體上邊緣中部。這表明設(shè)置構(gòu)造柱及圈梁改變了墻體的受力性能，對墻體起到了約束作用。隨著荷載的進(jìn)一步增加，墻體的塑性應(yīng)變增長較快。當(dāng)荷載加載到一定值以后，構(gòu)造柱及圈梁的塑性應(yīng)變逐漸增大，說明構(gòu)造柱及圈梁能夠保證整個墻體發(fā)揮承載作用，顯著提高墻體的變形能力，提高墻體的整體延性。對于2種有構(gòu)造柱加固的墻體，較大的塑性應(yīng)變都出現(xiàn)在鋼筋混凝土構(gòu)造柱上。但是由于構(gòu)造柱內(nèi)存在鋼筋，所以即使混凝土受拉開裂，其中的鋼筋仍然能起到拉結(jié)墻體的作用。相比于現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁加固墻體，裝配式構(gòu)造柱及圈梁加固的墻體塑性應(yīng)變出現(xiàn)的略早，應(yīng)變范圍較大?，F(xiàn)澆式優(yōu)于裝配式的原因在于，裝配式構(gòu)造柱及圈梁是由預(yù)制模塊及在預(yù)留孔洞中澆筑混凝土構(gòu)成，使得混凝土截面小于現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁的截面面積，而且裝配式構(gòu)造柱及圈梁的配筋是在預(yù)留的孔洞中完成，其配筋相對集中，較現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁對砌體的約束作用較弱。

從施加荷載的全過程可以發(fā)現(xiàn)，磚砌體最先出現(xiàn)塑性應(yīng)變，并從磚砌體上部向下部，由兩邊向中間延展，其次構(gòu)造柱出現(xiàn)塑性應(yīng)變，并且塑性應(yīng)變從底部向頂部，由柱子外側(cè)向柱子內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，最后圈梁出現(xiàn)塑性應(yīng)變，由磚砌體上邊緣角部與圈梁的接觸部位向四周擴(kuò)展。從圖5（d）和圖6（d）可以發(fā)現(xiàn)，在荷載作用下，構(gòu)造柱、圈梁和磚砌體共同工作，構(gòu)造柱和圈梁對墻體起弱框架作用，約束了墻體的變形，從而改善了墻體脆性破壞，使其整個組合墻體的抗震性能得到了充分發(fā)揮。

使用ADINA非線性有限元軟件所得結(jié)果與試驗結(jié)果王旭光［10］，冷小民［11］有一定的吻合度，說明利用有限元軟件可保證對裝配式構(gòu)造柱及圈梁進(jìn)行的抗震性能分析的精度。

在對墻體的3種約束類型，即裝配式構(gòu)造柱及圈梁約束墻體、現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁約束墻體、無構(gòu)造柱及圈梁組合墻體的研究中發(fā)現(xiàn)，有構(gòu)造柱及圈梁約束的墻片，無論是裝配式構(gòu)造柱及圈梁還是現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁，其性能較無構(gòu)造柱墻體都獲得了極大的提高。這是因為構(gòu)造柱及圈梁是由混凝土和鋼筋構(gòu)成，自身有很高的強(qiáng)度，且構(gòu)造柱及圈梁對墻體起約束作用，提高了墻體的整體性，很好地限制了墻體的位移；在荷載相同的條件下，設(shè)置構(gòu)造柱及圈梁的墻片比無構(gòu)造柱及圈梁墻片的塑性應(yīng)變要小。相比現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁約束的墻片，裝配式構(gòu)造柱及圈梁所約束的墻片性能略顯弱些，但是相差不大。但是考慮到裝配式構(gòu)造柱免支模，可同墻體一起砌筑等在施工方面的優(yōu)點(diǎn)，裝配式構(gòu)造柱及圈梁在村鎮(zhèn)建筑中更加適用。

3 結(jié)論

（1）構(gòu)造柱及圈梁約束的砌體，塑性變形出現(xiàn)較晚，砌體墻的塑性應(yīng)變發(fā)展充分，在磚砌體達(dá)到極限變形狀態(tài)時，構(gòu)造柱及圈梁仍能夠保證墻體的承載能力及變形，提高了墻體的強(qiáng)度，增大了墻體的延性，墻體整體性出色。帶構(gòu)造柱墻體的極限荷載明顯高于不帶構(gòu)造柱的墻體，并能明顯地提高墻體在水平荷載作用下的側(cè)向承載力和變形能力，使墻體具有足夠的抗倒塌能力，從而有效地改變砌體結(jié)構(gòu)的脆性。

（2）裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻體和現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻體的塑性應(yīng)變發(fā)展過程類似，現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻體的塑性應(yīng)變發(fā)揮更充分，承受的荷載更大，從而在地震作用下吸收的能量更多。但是裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻體較現(xiàn)澆構(gòu)造柱及圈梁組合墻體相差不多，性能未見明顯差別。從墻體抗震性能的比較來看，裝配式構(gòu)造柱及圈梁組合墻體完全能夠滿足強(qiáng)度及延性的需要，并且裝配式構(gòu)造柱及圈梁在施工（同磚砌體一同砌筑），經(jīng)濟(jì)（無需支模）等方面的優(yōu)勢，更加適合在村鎮(zhèn)建筑中發(fā)展與推廣。

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