混凝土空心砌块组合墙体抗震性能及影响因素分析.pdf
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1、全 国 中文核 心期刊 杆癯 建蟓 村 混凝土空I IL I MI 组合I 啬 傩抗震II | E 及 影响因素分析 杨德健 , 张宗伟 ( 天津城 市建设学院 土木工程系, 天津3 0 0 3 8 4 ) 摘要: 随着国家墙体改革、 建筑节能等相关政策的实施, 迫切需要对传统建筑结构进行改革和技术创新, 开发新的建筑结构体 系 。 钢筋混凝土一 砌体组合体系即是一种比较合理的结构形式 , 它有效地提高 了体系 的抗震性能及适用范围。 应用 A N S Y S有限元软 件对混凝 土小型空心砌块组合结构进 行非线性有 限元分 析, 并与试验结 果进 行对 比, 论证 了 A NS YS对于砌体结
2、构 分析 的适用 性。 在此基础之上 , 通过改变组合砌体 的材料与几何参数等 因素进行 分类计 算, 研 究了组合墙 体抗 震性能随各影 响因素 的变化规律。结 果表 明, 提高砂浆和混凝土 的强度等级可 以在一定程度上提 高结构的抗侧承载力 , 但效 果并不明显; 混凝土构造柱截 面尺寸及 间距 对组合墙体 的抗震能力和延性影 响较大 。 关键词 : 混凝土小型空心砌块; 组合结构; 抗震性能; 非线性有限元分析 中图分类号 : T U 5 2 2 3 4 文献标识码 : A 文章编号: 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 4 2 0 3 An a l y
3、 s i s o n e a r t h q ua k e r e s i s t a n c e a n d a ffe c t i v e f a c t o r s o f c o n c r e t e h o l l o w b l o c k c o mp o s i t e wa l l s t r u c t u r e s Y AN G D e j i a n , Z H AN G Z o n g w e i ( De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g , T i a n j i n I n s t i t
4、u t e o f U r b a n C o n s t r u c t i o n , T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 , C h i n a ) 0 引言 随着“ 保护土地资源, 保护耕地” 这一基本国策的贯彻实 施,混凝土小型砌块代替黏土砖作为承重或填充墙体材料已 是大势所趋。但因为混凝土砌块墙体具有抗剪与抗拉强度较 砖墙低, 且竖缝大, 砂浆的密实度一般较弱, 应力较为集中等 特征,混凝土小型砌块墙体在建造和使用过程中容易出现温 度应力裂缝、 收缩裂缝等问题, 这直接导致小型砌块在全国的 推广应用受到严重的阻碍。 混凝土空心砌块与其它墙体材料一样,它的推广不仅取
5、决于自 身的材料性能指标, 而且与建筑结构体系密切相关, 合 理的结构形式既可以使砌块建筑技术更加先进, 安全可靠, 又 可方便施工, 且工程造价低, 具有良好的经济指标, 利于混凝 土空心砌块的推广应用1 J 。 钢筋混凝土一 砖砌体组合体系即是一种比较合理的结构 基金项 目: 天津市建设科技发展重点计划项 目( 2 0 0 6 2 ) 收稿 日期 : 2 0 0 9 0 9 1 0 作者简介 : 杨 德健, 男 , 1 9 6 2年生 , 北京人 , 博士 , 教授 。地址 : 天津 西 青 区津静路 2 6号 , 电话 : 0 2 2 2 3 0 8 5 0 9 9 , E - ma i
6、 l : y a n g d e j i a n 一 1 6 3 cono 4 2 新型建筑材料 2 0 1 0 3 形式,可解决单纯的混凝土空心砌块墙抗剪能力及延性差的 问题, 提高体系的抗震性能, 可以使砌体结构能在基本烈度为 7 8 度的地震区建造中高层建筑,而且造价比混凝土结构抗 震墙低, 符合我国的墙改政策。 1 组合墙体的 A N S Y S 有限元模型建立 与分析 为 检验有限元模型建立的可靠性, 本文以 文献【 l 】 中 的试 验结果为基础进行对比分析。 1 1 有限元模型的建立 综合文献【 2 】 中 各类本构关系曲 线, 本文选取E H o g n e s t a d 应
7、力应变曲线并简化为三折线形式来模拟混凝土空心砌 块墙与混凝土柱的本构关系( 见图 1 ) , 并通过A N S Y S 建模单 元中的多线性随动强化( M K I N ) 曲线来定义材料的单轴应力 应变曲线翻 ( 见图1 ) 。 1 2 荷载步及其解 在砌块建筑墙体中,墙体承受垂直荷载以及水平荷载, 因 此, 在组合墙体的非线性有限元分析中采用2 个荷载步加载形 式: 先一次性以面荷载形式施加垂直荷载; 水平荷载分若干子 步进行, 并侧向加于顶部的混凝土梁。非线性求解采用牛顿拉 普森法( N R法) , 使每一个荷载增量末端解都达到平衡收敛 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u
8、 .c o m 杨德健, 等: 混凝土空心砌块组合墙体抗震性能及影响因素分析 ( a ) 混凝上构造柱应力一 应 变曲线 ( b ) 混凝土空心砌块墙体应力 应变 曲线 图 1 材料应力一 应 变曲线 1 3 砌块墙体试验结果与计算结果比较 计算时采用以下方法来确定初裂荷载和极限荷载: ( 1 ) 当荷载一 位移曲线上出现明显的拐点或水平位移显 著增大时对应的荷载确定为初裂荷载。 ( 2 ) 当墙体水平位移迅速增大, 荷载基本不变时, 对应的 荷载为极限荷载I5 1 。 根据以上步骤建立模型进行有限元的分析,确定初裂荷 载P r 、 初裂位移。 、 极限荷载 以及极限位移 , 计算结果 列于表
9、 1 , 并与文献【 1 】 的试验结果进行对比分析, 如图2 所 7 。 表 1 组合墙体 的试验结果与计算结果 比较 4 OO 3 5O z 3 o0 2 5 0 2 o o * l 5 O 1 0 0 5O 0 0 1 2 3 顶 点位移 m m 图 2 计算值与试验值荷载一 位移曲线 比较 由 墙体非线性有限元计算结果与试验结果的比较分析可 知, 各墙体的非线性有限元计算与试验结果比较接近, 两者的 误差可以控制在 1 0 左右, 极限位移 稍大, 但也在误差允 许范围内, 因此, 采用A N S Y S软件对混凝土小型空心砌块墙 体进行非线性有限元分析是可行的。 2 组合结构承载力及
10、变形能力的 影响因素分析 根据以上模型参数的设定, 本文模拟了3 组共 1 4 种组合 墙体, 分别考虑了砂浆强度、 混凝土强度以 及墙体几何参数的 变化对组合墙体抗侧承载力以及变形的影响。 2 1 砂浆强度对组合墙体抗侧承载力的影响 为明确墙体砂浆的强度对组合墙体的影响程度, 根据砂 浆强度的不同, 建立墙体类型I 的有限元模型1 1 1 5 , 具体 参数设置见表2 。计算结果分别见表3 、 图3 。 表 2 混凝土空心砌块组合墙体类型 I 砌 块强砂浆强 混凝土 构造 柱截面构造柱砌体高 度 MP a 度 MP a 强度 MP a 尺寸 ra m 间距 mm度 mm 序号 初裂荷载初裂位
11、移极 限荷载极 限 m 位 m k N ram k N 移 延性 比 P u 8 0 0 5 00 z g 0 0 3 0 0 * 2 0 0 l 00 O O l 2 3 顶点位移 r a m 图 3 不同砂浆强度对 荷载一 位移 曲线的影响 由表3 和图3 可以看出, 提高砂浆的强度可以在一定程 度上提高墙体的抗侧承载力, 但并不明显; 初裂位移有所增 NE W BU J L D J N6 M AT E RI AL S 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杨德健 , 等: 混凝土空心砌块组合墙体抗震性能及影响因素分析 大, 极限位移的增大也不明显, 延性比
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