预应力扣压穿合式砌体房屋抗震动力性能研究

发布时间：2016-10-23 08:22

第 1 章  绪论 

在我国，砌体结构的发展历史比较悠久，据史料记载，砌体结构已有 2000 多年的历史[1][2][3]，被广泛用在各种建筑物以及构筑物中。砌体结构有很多优点，但力学性能上表现为砌体的抗拉弯剪的强度都较低，其他方面的缺点包括自重大，构件截面尺寸大，材料用量多，这样就造成了在地震作用下容易发生严重破坏，所以人们尝试研究将预应力技术与砌体结合，组成预应力砌体结构[4]。最近这些年，这种新型建筑结构具有很大的发展潜力，作为土木工程界普遍关注的热点之一，对预应力砌体结构的抗震性能的研究分析，体现出重要的工程应用价值，并且有较强的理论意义  [5]。本章主要参照国内外关于预应力砌体的文献，借鉴前辈们的研究成果，然后明确了本文研究的方向和内容。 

1.1  前言  
砌体结构，俗称砖石结构，该结构主要是以墙体或柱作为竖向承重构件，结构材料由块体和粘结浆体组成，常见的块体有不同材质的砌块、砖块和天然石材，粘结材料有砂浆等  [6]。现在的建筑结构主体主要是钢结构、钢筋混凝土结构，砌体结构和它们一样，也是比较流行的主体结构之一。 砌体结构有以下优点： （1）在建设地区很容易能找到相应材料，并且价格比价便宜，可选材料多种多样，比如：砖块、天然的石块、矿渣砌块等。 （2）砖、石以及砌块砌体在明火燃烧的时候依旧能保持材性不变，并且使用长久，不会轻易受损破坏。 （3）在砌体施工时，对施工条件要求不高，常用的施工机具能满足施工要求，同时，施工不受季节影响，寒冷地区也可正常施工，对保温的要求也不高。 （4）砌体结构墙体隔热和保温能力比较强，同时墙体可以作为承重构件，也可以作为围护构件，体现出多功能的性质。 但同时砌体结构也存在很多缺点，尤其是在受力性能方面，砌体结构有较高的抗压承载力，但抗拉、压、弯的强度相对比较低，比如砌体抗压强度平均值是其在受弯时的弯曲抗拉强度平均值的 20 倍。另外，砌体结构的自重大，生产过程复杂，不符合环境保护的要求，更重要的是和框架结构和钢结构相比较，抗震性能比较差，所以在未来的推广和应用上有一定的局限性。 
........

1.2  国内砌体结构的发展历史和未来发展方向
在我国砌体结构的发展历史比较悠久，据史料记载，砌体结构已有 2000 多年的历史，被广泛用在各种建筑物以及构筑物中。包括闻名于世的万里长城，水利工程的代表作之一都江堰以及很多年代久远的石拱桥，砖塔，城墙等。一直到现代，砌体结构仍作为最主要的承重结构之一被广泛应用在各种建筑及构筑物，但是随着技术的发展，构成砌体的材料也在慢慢转变，由普通的砖石转变为新兴的环保的矿渣、粉煤灰、混凝土等材料，尤其是轻质高强由各种工业矿渣生产的砌块最为推崇。与此同时，砌体结构类型也在改变，出现了配筋砌体、组合砌体、预应力砌体等结构类型，这样也为砌体的应用条件和范围扩展了道路[7]。 地震灾害通常被认为最为严重的自然灾害[8]之一，环太平洋地震带与欧亚地震带是著名的地震带，不巧的是在我国境内两条地震带均有分布，这就决定了国家的地震灾害比较频繁严重，并且地震灾害多发。根据资料数据统计显示，我国每个省份基本上都发生过六级以上的地震，发生过七级地震的省份超过了百分之六十[9]。其中发生里氏 8.0以上的大地震大约有 18 次[10]。近年来，地震灾害在我国频繁发生，包括 1966 年邢台大地震、1976 年唐山大地震、2008 年汶川大地震和 2010 年青海玉树地震，这些地震灾害不仅危害国家人民财产和人民生命安全，而且还严重影响与制约国家经济的发展。尤其是最近发生的汶川地震与玉树地震，让人民经历了不可磨灭的惨痛，沉重打击了每一个中国人。 由于砌体结构抗拉强度低且自重较大，因此地震反应很大，砌体材料不可能通过加大变形来减小地震作用，或者依靠材料的延性来吸收地震反应的能量对于砌体材料来说是不可能的[11]，因此砌体结构抗震性能很差。 新中国成立后，社会经济条件落后，砌体结构房屋成为我国农村和城市一些地区的主要房屋类型，满足了当时我国广大城镇居民对住宅的使用要求。但是这一时期的房屋不能满足现在的抗震要求，是由砌体结构自身的缺陷以及当时社会现状设计水平制约造成的，所以已建老旧砌体结构房屋严重威胁着居民的安全。通过对历次灾害的分析得知砌体房屋破坏较严重，沿着灰缝的交叉斜裂缝与水平通缝是房屋主要的破坏形式。 
..........

第 2 章  预应力扣压穿合式砌体墙试验设计方案 

2.1  引言 
扣压穿合式砌块，也称榫卯空心砌块，砌块砖的底面设有凹槽，砖顶面设有卡凸块，砌块上下扣合，咬合紧凑，贯穿固定成一体。这种新型砌块相较于普通砌块强度高，耐冲击力强。由榫卯空心砌块组成的榫卯式结构（也称扣压穿合式砌体结构），能够限制砌块移动，使砌块结合紧密。砌块预留空腔添加混凝土芯柱或预应力，有效增强建筑物的结构稳定性和抗震等级，，可广泛适用于 7 层以下民用住宅、别墅、工业厂房的建设。 本试验包括6片实体墙体构件。通过对墙体施加水平低周反复荷载，得出墙体在不同工况即有无芯柱有砂浆、无芯柱无砂浆及不同预应力施加状况下的非线性静力特性，包括破坏过程和破坏形态、开裂荷载、极限荷载、开裂位移、极限位移、滞回曲线和骨架曲线、延性、刚度退化性能、耗能性能等抗震性能指标，研究竖向预应力筋的最合适的应力比以及为这种新型结构未来的推广应用打下理论基础。 
.......

2.2  试件设计
为与有芯柱的墙体对比，本文重点研究以不同预应力筋轴压比和有无砂浆层为基本变化参数的无芯柱墙体的抗震性能。结通过参考相关规范、论文、专著，  400  200  122 MU15 M15 C40C40 HRB400 HPB23确定试件主要材料如下：1）砌块为 混凝土榫卯空心砌砖，抗压强度为 ；2）砂浆为 混合砂浆；3）压顶梁选为 细石混凝土；4）底梁选为 细石混凝土；5）梁内纵筋为 ，箍筋为 ；6）预应力钢筋采用15.2 钢绞线（极限抗拉强度为 1860MPa）。本试验共制作了 6 片不同工况的墙体构件见表 2-1。其中 W1 是无预应力有芯柱有砂浆墙体，W2 是轴压比为 0.2 的有预应力无芯柱有砂浆墙体，W3 是轴压比为 0.3 的有预应力无芯柱有砂浆墙体，W4 是轴压比为 0.4 的有预应力无芯柱有砂浆墙体，W5 是轴压比为 0.5 的有预应力无芯柱有砂浆墙体，W6 是轴压比为 0.5 的有预应力无芯柱无砂浆墙体。墙体尺寸统一，墙宽为 3.6m，高为 2.8m，厚 0.2m。墙体具体尺寸及配筋见图 2-1~图 2-3。 
.........

第 3 章  预应力扣压穿合式砌体墙的试验结果分析 ......... 17 
3.1  材料性能 ..... 17
3.2  试验现象描述 ......... 21 
3.3  荷载-位移滞回曲线 ...... 24 
3.4  骨架曲线 ..... 26 
3.5  刚度退化曲线 ......... 28 
3.6  耗能性能 ..... 29 
3.7  本章小结 ..... 30
第 4 章   扣压穿合式砌体房屋弹塑性动力时程分析 ....... 32 
4.1  引言 ....... 32 
4.2  有限元软件 ANSYS 简介 ........ 32 
4.3  扣压穿合式砌体房屋有限元模型的建立 ....... 32 
4.3.1  单元的选择与材料性能 .... 32 
4.3.2  有限元模型的建立与网格划分 .... 34 
4.3.3  边界条件的处理及地震荷载的施加 ........ 38 
4.4  模态参数分析 ......... 41
4.5  地震响应的时程分析和云图分析 ....... 46
4.6  本章小结 ..... 63 

第 4 章   扣压穿合式砌体房屋弹塑性动力时程分析 

4.1  引言

现代科研人员与学者以数学与力学为基础利用 ANSYS 有限元分析软件对结构进行数值模拟分析，这种利用计算机软件对工程进行模拟也成为现代分析方法的重要手段之一，是现代建筑仿真发展的主要原因之一。目前在建筑工程中常用的数值模拟手段主要离散元、有边元、有限差分、边界元法等，其中有限单元法是应用最为广泛的方法。目前，尽管不少学者建立了砌体房屋的非线性有限元分析模型，但由于涉及到非线性问题，导致结构的计算很复杂、迭代过程存在墙体开裂的各类收敛问题，导致能够在实际中很难推广应用。  本章采用 ANSYS 软件来模拟三维扣压穿合式砌体房屋的地震反应分析，利用ANSYS 的动力学功能，依据结构材料强度，进行建模、加载和地震分析。通过对空心砌体结构进行数值模拟，深入分析其动力特征及地震反应，研究其抗震性能，研究预应力扣压穿合式砌体房屋和非预应力扣压穿合式砌体房屋结构在地震中的响应，比较两种扣压穿合式砌体房屋的动力性能。大型数值模拟软件 ANSYS 是美国 ANSYS 公司精心开发的一款大型通用有限元数值仿真分析软件，目前 ANSYS 功能非常强大，已经被应用到各个领域中如桥梁、隧道、房屋建筑工程、机械工业、航天国防、生物医学、电子、热声科学等各个领域。目前ANSYS 已经成为是大多数学者和研发人员的科研工具。目前广泛应用在。 软件核心主要分析类型包括：结构静力、动力学、非线性处理、热、电磁场、流体动力学、声场、压电等分析。在使用方面，ANSYS 主要包括了三个模块：前处理模块、计算模块和后处理模块。前处理模块主要进行的是前期建模工作，选择结构单元、材料性质设置、2D、3D 建模和网格划分的工作。计算模块主要解决模型各种力与位移约束、荷载的施加、非线性的设置，以及选择计算处理器，进而完成各类别的计算处理功能。后处理模块主要对所构建的模型进行数据分析与提取，如应力、应变、位移、振型、频率等，能够得到不同时间应力应变图时程曲线等。 

.............

结论 

本文进行了扣压穿合式砌体墙构件的抗震试验研究，在试验研究的基础上，以北京市顺义区马坡镇政府改建样板工程为原型，运用 ANSYS 有限元分析软件进行建模，对预应力扣压穿合式砌体房屋与非预应力扣压穿合式砌体房屋进行抗震动力性能数值研究，得出如下结论： 
（1）在墙体的抗剪承载力方面，预应力扣压穿合式空心砌体强构件比同状态下而未施加预应力的墙体有大幅提高。随着预应力的增加，墙体开裂荷载提高幅度不明显，但抗剪承载力有明显的提高。 
（2）在裂缝发展和破坏特征方面，未加预应力普通墙体上细微分布裂缝数量比较少，有明显的主裂缝，出现特征较为明显的脆性破坏。在施加预应力的墙体上出现较多的裂缝，这些裂缝分布较密且裂缝宽度较小，表现出比较明显的延性破坏特征，并且裂缝在卸载后能重新闭合,墙体表现出较好的整体性，裂而不散，抗倒塌性能较强。 
（3）在耗能性能方面，预应力扣压穿合式空心砌体墙构件比同状态下而未施加预应力的墙体有所提高，提高幅度约为 2~3 倍，5 片墙体的初始刚度均较大，刚度退化过程与趋势基本一致，当墙体出现裂缝后均出现较为迅速的刚度退化。 
（4）对比无预应力模型与有预应力模型的模态参数，观察前三阶振型对比图可发现，两种模型的前三阶振型变形，无论 x 方向，还是 y 方向的变形趋势均一致。两种模型自振频率变化较小，表明预应力不影响结构的抗侧刚度。 
（5）当结构在 8 度大震 400 gal 的地震波作用下，模型 I（无预应力）与模型 II（有预应力）的地震响应不相同。当结构处于弹性阶段时，各楼层顶部有预应力结构的位移比无预应力结构的位移值差别不大，但有预应力的结构的整体性比无预应力的结构的要稍大；有预应力结构的剪力比无预应力结构的剪力响应要大 2107%；各楼层顶部有预应力结构的速度比无预应力结构的速度响应要大 645%、669%、700%；各楼层顶部有预应力结构的加速度比无预应力结构的加速度响应要大 369%、671%、266%。无预应力结构随着楼层高度的增加，结构的位移、速度及加速度呈增大的趋势。有预应力结构随着楼层高度的增加，结构的位移呈增大的趋势、速度及加速度呈减小的趋势。
.........
参考文献(略)  

本文编号：150121