混凝土空心砌块组合墙体抗震性能及影响因素分析.pdf

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 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 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 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 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 .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 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， 延性比相应减小。 2 ． 2 混凝土构造柱的强度对组合墙体抗侧承载力 的影响 根据构造柱混凝土强度的改变，建立墙体类型Ⅱ的有限 元模型2 - 1 2 - 4 ， 具体参数设置见表4 ， 计算结果分别见表5 、 图4 。 表 4 混凝土空心砌块组合墙体类型 Ⅱ 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／ mm 间距／ mm 度／ mm 图 4 不同混凝土强度对荷载一 位移曲线 的影响 由表5 和图4 可以看出，构造柱混凝土的强度对组合墙 体的抗侧承载力几乎没有影响，所以在一定的情况下砌体结 构的构造柱可以采用低标号的混凝土而不会影响组合墙体的 抗侧承载力。 由以上2 种模型可以 得出，通过改变墙体材料的强度等 级提高墙体抗剪性能的效果并不明显，尤其是通过改变构造 柱混凝土的强度等级， 几乎没有影响， 所以， 在一定的组合形 式中， 混凝土构造柱虽然有一定的抗剪切作用， 但最主要的作 用还是对砌体结构的约束作用。 2 ． 3 组合墙体几何参数变化对抗侧承载力的影响 墙体类型Ⅲ主要考虑了构造柱界面尺寸变化( 3 — 1 、 3 — 2 、 3 — 3 ) 和不同构造柱间距( 3 — 2 、 3 - 4 、 3 — 5 ) 对墙体抗震性能的影 响， 具体参数设置见表6 ， 计算结果分别见表7 和图5 、 图6 。 4 4 新型建筑材料 2 0 1 0 ． 3 表 6 混凝土空心砌 块组合墙体类型 Ⅲ 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／ n u n 间距／ m m度， I n m 0 2 4 6 顶点位移／ m m 图 5 不同混凝土构造柱截面墙体的荷载一 位移曲线比较 7 00 6 00 5 00 40 0 30 0 200 1 0 0 O l 2 3 顶点位移／ m m 图 6 不同构造柱间距 墙体 的荷载一 位移 曲线 比较 由 表7以 及图5 、 图6 可以得出， 混凝土构造柱对组合墙体 的抗侧承载力影响较大， 随着构造柱截面增大， 墙体极限位移 和延性比增大， 最大可以提高约 1 4 0 ％， 具有较好的吸能作用。 而构造柱截面积不变时， 随着构造柱间距的增大， 虽然组合墙 体的极限承载力有所提高， 但延性比 却减小， 刚度退化较明显。 3 结语 通过计算与试验结果比较分析可知， 采用非线性有限元 ( 下转第 4 7页) 啪瑚 啪伽姗{ 言 啪0 至＼ 簧 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李庚英， 等： 贝灰一 粉煤灰免烧砖的配合 比及 力学性能研究 表 6 羧基丁苯乳液一 聚丙烯纤维 复掺对 免烧砖 2 8 d强度的影响 注 ： 石灰 、 石 膏掺量均分别为 1 5 ％、 4 ％， 砂灰 比均 为 0 ． 5 ， 水 灰比均 为 0 ． 3 。 通过上述实验发现， 综合力学性能较佳的配合比见表7 ， 砂灰比、 水灰比分别为0 ． 5 、 0 ． 3 。 表 7 最佳 配合 比 ％ 2 ． 2 抗冻性能测试结果 表 8 为不同配比免烧砖经过 1 5 个冻融循环后的抗压强 度和质量变化情况。 表 8 免烧砖 的抗冻融试验 结果 注 ： 石 灰 、 石 霄 掺 量 均 分 别 为 1 5 ％ 、 4 ％ ， 砂 灰 比 均 为 0 ． 5 ， 水 灰 比均 为 0 ． 3 。 由表 8 可知， 采用最佳配合比的免烧砖， 经过 1 5 次冻融 循环，质量损失仅 l ％，冻后抗压强度达 2 5 M P a ，符合J C 2 3 9 --2 0 0 1 《 粉煤灰砖》 要求。 3 结语 ( 1 ) 贝灰显著影响免烧砖的强度 ， 当其掺量为 1 6 ％时具 有较高的抗压和抗折强度。 ( 2 ) 羧基丁苯聚合物乳液显著影响免烧砖的力学性能， 免 烧砖的抗压强度随着聚合物掺量的增加而降低， 但抗折强度表 现为增大趋势， 其中以掺3 ％ 聚合物的免烧砖力学性能最好。 ( 3 ) 聚丙烯纤维复合羧基丁苯乳液显著影响材料的抗折 强度，其中以S B R掺量和纤维掺量分别为胶凝材料的3 ％ 和 0 ． 1 0 ％时免烧砖的力学性能最佳。 ( 4 ) 免烧砖最佳配合比为： 粉煤灰4 0 ％、 水泥 2 5 ％、 石灰 1 5 ％、 贝灰 1 6 ％、 石膏4 ％、 S B R 3 ％、 纤维0 ． 1 0 ％、 减水剂0 ． 5 ％， 砂灰比0 ． 5 ， 水灰比0 ． 3 。 ( 5 ) 采用最佳配合比振动成型的免烧砖， 经 1 5次冻融循 环试验， 质量损失只有 1 ％， 冻后抗压强度为2 5 M P a ， 达到J C 2 3 9 - - - 2 0 0 1 (( 粉煤灰砖》 的要求。 参考文献： 【 1 1 李红兵 ， 李雷． 我 国住宅新型墙体材料 的发展现状与对策叨． 国外 建材科 技， 2 0 0 1 ， 2 2( 3 ) ： 1 1 7 一 l 1 9 ． [ 2 】 G u n d a z L ． U s e o f q u a r t e t b l e n d s c o n t a i n i n g fl y a s h ， s c o ri a ， p e r l — i t i c p u mi c e a n d c e me n t t o p r o d u c e c e l l u l a r h o l l o w l i g h t we i g h t ma s o n r y b l o c k s f o r n o n — l o a d b e a r i n g w a l l s [ J ] ．C o n s t r u c t i o n a n d B uil d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 08， 2 2( 5 )： 7 47 - 7 5 4 ． [ 3 ] L e r t s a t i t t h a n a k o r n C， A t t h a j a r i y a k u l S ， S o p o n r o n n a r i t S ． T e c h n o - e — c o n o mi c a l e v a l u a t i o n o f a r i c e h u s k a s h ( RHA) b a s e d s and— c e me n t b l o c k f o r r e d u c i n g s o l a r c o n d u c t i o n h e a t g a i n t o a bu i l d - i n g f J 】． C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 9 ， 2 3( I 1 ) ： 3 4 1 1 — 3 41 9 ． [ 4 14 周梅， 李塑忠 ， 霍 宝荣． 自燃煤矸石一 粉煤灰生产混凝土空心砌块 研 究【 J ] ． 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 6 ) ： 5 3 — 5 5 ． [ 5 】 张敏， 蒋冬青 ， 薛广龙． 加气混凝土的使用 性能[ 陕西建筑， 2 0 0 6 ( 6 )： 1 8 —2 1 ． [ 6 】 解振华． 大力发 展新型墙体材料加快建设 资源 节约型、 环境友好 型社会【 J ] ． 砖瓦世界， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 2 - 6 ． A -4 > 夺 - 4 > 专 夺 -4 > 夺 夺 夺 夺 寺 夺 争 夺 夺 -4 > 夺 夺 夺 夺 夺 牵 -4 > - 4 > 夺 { 寺 - 4 > 争 夺 夺 - 4 > 夺 争 夺 夺 夺 夺 争 夺 争 争 ( 上接第 4 4页) 震工程， 2 0 0 1 ， 1 7 ( 2 ) ： 9 8 — 1 0 3 ． 法分析混凝土空心砌块墙体具有良好的精度。本文研究结果 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 结构的抗剪承载力， 但效果并不明显； 混凝土构造柱截面尺寸 及问距对组合墙体的抗震能力和延性影响较大，适当加大构 造柱截面可以显著提高结构的抗震承载力和极限变形能力。 参考文献 ： [ 1 】 张毅斌． 混凝 土小型空心 砌块组合墙 抗侧力试 验研究『 J 1 ． 世界地 [ 2 ] 刘世忠． 基于 A NS YS的钢筋混凝 土结构非线性有限元分析[ J ] ． 四 川建筑， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 9 2 — 9 5 ． [ 3 】 周 岑 ， 孙 利 民． 钢 筋混凝 土结构弹 塑性分 析在 A N S YS中 的实现 f C 1 ／ ／ 2 0 0 2 AN S Y S中国用户年会论文集 ， 2 0 0 2 ： 4 6 4 — 4 6 8 ． [ 4 ] 王 富耻 ， 张朝晖． A N S YS 1 0 ．0有限元分析理论与工程应 用【 M】 ． 北 京： 电子工业 出版社 ， 2 0 0 6 ： 5 I - 5 3 ． [ 5 ] 徐铨彪 ， 金伟 良． 混凝土小型空心砌块墙 体非线性有限元分析们． 浙 江大学学报， 2 0 0 5 ， 3 9( 6 ) ： 8 6 3 — 8 6 8 ． A NE W BUI L DI NG MAT E RI AL S 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m