约束蒸压粉煤灰砖砌体结构抗震性能研究

张号进,熊立红,冯 付

（天津城市建设学院天津市软土特性与工程环境重点实验室,天津 300384）

近年来,随着墙体材料改革的不断深入,积极开发和发展节能、节地、利废的新型墙体材料变得至关重要。蒸压粉煤灰砖是以粉煤灰、石灰或水泥为主要原料,掺加适量石膏和集料经高压蒸汽养护制成的粉煤灰砖。其具有节约土地、保护环境、节能利废等优点成为中国墙体材料的主导产品之一。蒸压粉煤灰砖做为一种新型墙体材料,要想其在地震区推广应用,对蒸压粉煤灰砖砌体结构抗震性能的研究尤为重要。本文针对两栋典型约束蒸压粉煤灰砖砌体结构进行了非线性地震反应分析,研究其抗震性能。

1 墙体强度和变形研究

在砌体结构中,承重墙体构件抗剪承载力是评定其抗震能力的重要指标。目前我国度量无筋砌体抗剪强度理论主要有两种:主拉应力破坏理论和库仑破坏理论。大量文献都以这两种强度理论为基础,得出了各种砌块墙体抗剪承载力公式。

1.1 抗剪承载力计算公式

文献[1]中通过对31片蒸压粉煤灰墙体试验数据进行数据拟合,建立了墙体抗剪强度平均值计算式公式

式中 σ0—作用在墙体上的正应力;fvo,m—非抗震设计的砌体抗剪强度平均值。可按式（2）[2]计算。

式中f2—为砂浆抗压强度平均值;k5—对于蒸压粉煤灰砖k5=0.09。

那么,蒸压粉煤灰砖墙体的平均极限抗剪承载力为

式中Vum—蒸压粉煤灰墙体平均极限抗剪承载力;A—墙体横截面面积。

对于设置构造柱的墙体,文献[3]给出了构造柱平均抗剪承载力Vcm为

式中 fcm—构造柱混凝土构件抗压强度平均值;Ac—构造柱混凝土横截面总面积;fym—构造柱纵向钢筋屈服强度平均值;As—构造柱纵向钢筋横截面总面积;fym'—构造柱箍筋屈服强度平均值;Ast—构造柱箍筋横截面总面积;s—箍筋间距;h'—箍筋沿抗剪方向的长度。

由式（3）和式（4）得出约束蒸压粉煤灰砖墙体的平均极限抗剪承载力

式中 η—构造柱工作系数,η按文献[3]取值。

利用式（5）对另外20片蒸压粉煤灰砖墙体的截面抗震受剪承载力进行了计算,并对计算结果和试验结果[4-6]进行了比较,如表1所示。

由表1数据可以得出,试验值与计算值之比的平均值M=1.12,变异系数Cv=0.17。可见式（5）具有较满意的精度。

1.2 恢复力模型建立

参考大量试验数据[4-10],从蒸压粉煤灰砖墙体在水平低周反复荷载试验下滞回曲线可以看出,墙体出现了明显的刚度退化。本文将层间恢复力计算模型取为了四折线一退化刚度模型（图1）。其中OA、AB、BC、CD和DE区段分别代表弹性状态、轻微破坏状态、中等破坏状态、严重破坏状态和倒塌状态。其中极限强度 Vu由式（5）计算,各控制点的参数计算如表2所示。

表1 墙片抗震抗剪承载力比较Tab.1 The comparison of the wall of resistance cut

表2 恢复力模型相关参数计算Tab.2 Related parameters to calculate of recovery model

2 算例分析

2.1 工程概况

以两栋典型蒸压粉煤灰砖砌块结构为例,结构一为7层房屋,结构二为6层房屋。抗震设防烈度分别为:结构一7度、结构二8度,场地类别都为Ⅱ类,设计地震分组为第一组;楼层层高均为2.8 m,采用MU15蒸压粉煤灰砖,砂浆强度等级为M15,构造柱和圈梁采用C20混凝土;楼板和屋面均采用现浇钢筋混凝土板,屋盖板厚120 mm,楼盖100 mm,各层的楼板处均设置现浇钢筋混凝土圈梁 ,宽度 240 mm,配筋 4φ12,箍筋 φ6,间距 200 mm;根据文献[2],构造柱分别按7度和8度设防要求布置,构造柱截面尺寸为240mm×240 mm,纵向钢筋为 4φ12,箍筋 φ6,箍筋间距为200 mm。

结构一底层层间极限抗震剪切承载力为17 125.36 kN,其中构造柱极限抗震剪切承载力为1 376.52 kN,占层间极限抗震剪切承载力的8.04%;结构二底层层间极限抗震剪切承载力为16 091.79 kN,其中构造柱极限抗震剪切承载力为1 626.55 kN,占层间极限抗震剪切承载力的10.11%。

2.2 地震记录的选取和调整

根据该建筑物所在场地土类型和设计地震分组,按建筑抗震设计规范（GB50011-2001）,选择两条Northridge-01波地震记录（地震动水平分量分别为NORTHR/JEN022,NORTHR/JEN292;卓越周期分别为0.36 s,0.34 s）和EL-Centro波地震记录（卓越周期为0.41 s）,共三条反映本算例Ⅱ类场地的地震记录。对于结构一,将输入的3条地震加速度峰值分别调整为7度和8度区多遇地震、设防烈度、罕遇地震的幅值;对于结构二,将输入的3条地震加速度峰值分别调整为8度和9度区多遇地震、设防烈度、罕遇地震的幅值,分别对两栋蒸压粉煤灰砖砌块结构进行地震反应分析。

2.3 计算结果及分析

最大层间位移反应:图2为输入不同地震加速度峰值条件下,两栋蒸压粉煤灰砖砌体结构的各层最大层间位移平均值沿高度分布。由图2可知,对于结构一在输入地震加速度峰值小于310 gal时,层间位移随着层高的增加而减小,结构的层间位移均小于开裂位移1.75 mm,表明此时结构楼层处于弹性状态。在输入地震加速度峰值等于310 gal时,一层和二层层间位移大于开裂位移1.75 mm,而且第二层层间位移沿高度分布出现转折点,表明此时该结构楼层处于轻微破坏状态,结构薄弱层出现在第二层。在输入地震加速度峰值等于400 gal时（相当于设防烈度为8度罕遇地震）,一到四层层间位移大于开裂位移1.75 mm,而且首层层间位移为2.62 mm,表明此时该结构楼层处于轻微破坏状态,层间位移变化逐渐加剧。在输入地震加速度峰值等于510 gal时（相当于设防烈度为8度罕遇地震）,一到四层层间位移大于开裂位移1.75 mm,而且首层层间位移为3.12 mm,接近屈服位移4.00 mm,表明此时该结构楼层处于中等破坏状态。

对于结构二在输入地震加速度峰值小于400 gal时,位移随着层高的增加而减小,结构的层间位移均小于开裂位移1.75 mm,表明此时结构体系处于弹性状态。在输入地震加速度峰值等于400 gal时,一到二层层间位移大于开裂位移1.75 mm,而且第二层层间位移沿高度分布出现折点,表明此时该结构楼层处于轻微破坏状态,结构的薄弱层出现在第二层。在输入地震加速度峰值等于510 gal时,一到三层层间位移大于开裂位移1.75 mm,而且首层层层间位移为3.05 mm,接近屈服位移4.00 mm,表明此时该结构楼层处于中等破坏状态。在输入地震加速度峰值等于620 gal时（相当于设防烈度为9度罕遇地震）,一到四层层间位移大于开裂位移1.75 mm,而且首层层间位移为3.89 mm,接近屈服位移4.00mm,第二层层间位移为4.01 mm,大于屈服位移4.00 mm,表明此时该结构楼层处于中等破坏状态,结构的薄弱层出现在第二层。从结构一和结构二的最大层间位移反应来看,该种约束蒸压粉煤灰砖砌体结构不仅满足该地区的抗震设防要求,而且其抗震能力可以提高一度。

最大加速度反应:图3为输入不同地震加速度峰值条件下,两栋蒸压粉煤灰砖砌体结构的各楼层加速度反应平均值沿高度分布图。由图3可知,结构一和结构二在不同输入地震加速度峰值条件下,结构的最大楼层加速度沿高度基本为倒三角分布,底层加速度最小,顶层对加速度的反应较为敏感。结构一在输入地震加速度峰值为510 gal时,即在8度罕遇地震下,第四层加速度反应发生突变。结构二在输入地震加速度峰值为620 gal时,即在9度罕遇地震下,第四层的加速度反应发生突变。表明这两栋结构在罕遇地震下,结构第四层出现破坏,使得结构的第四层刚度降低,阻尼增大,最大加速度反应变大。

最大层间剪力反应:图4为输入不同地震加速度峰值条件下,两栋蒸压粉煤灰砖砌体结构的最大层间剪力平均值沿高度分布图。由图4可知,结构一和结构二在不同输入地震加速度峰值条件下,最大层间剪力随着楼层的增加逐渐降低,最大层间剪力出现在首层。

3 结论

1）通过理论研究和试验对比,式（5）可以作为蒸压粉煤灰砖砌体结构极限抗震剪切承载力计算公式,具有较好的精确度。

2）约束砌体结构具有良好的抗震性能,其抗震能力可提高一度。

（3）构造柱不仅是房屋抗倒塌的重要措施,还是承受地震作用的受力构件,分别承担着8.04%和10.11%的抗剪承载力,对于每开间均设构造柱的房屋,考虑构造柱的抗剪作用更为合理。

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