装配式构造柱及圈梁加固砌体墙抗震性能计算

李杰，张玉敏

（华北理工大学 河北省地震工程研究中心，河北 唐山063009）

我国的结构抗震研究者对唐山大地震中遗留的房屋进行研究发现，在砌体结构中布置构造柱、圈梁具有很好的抗震性能。此后，把在砌体结构中布置构造柱、圈梁纳入了抗震规范中。当墙体在地震作用下发生水平变形后，构造柱和圈梁能有效约束墙体，提高砌体结构的抗倒塌性能，使砌体墙在遭受大震时做到裂而不倒，这项技术也已得到实际地震的检验，被国内外学者所认同。但由于现浇构造柱及圈梁的造价相对较高、施工工期长等原因，使得现浇构造柱及圈梁在村镇建筑中难以落实。研究者对墙体和构造柱及圈梁的材料和结构形式等不论是试验还是数值分析方面都进行了诸多探讨研究［1－9］。而装配式构造柱及圈梁形式在各个方面展现出的特点，引起了人们的关注。构造柱及圈梁是由加工好的预制块砌筑而成，将传统圈梁、构造柱的现浇钢筋混凝土施工工艺改变为以砌筑为主的施工，并作为村镇房屋中的主要承重构件，推广应用到除砖砌体之外的其他类型村镇建筑中，增强村镇建筑房屋抗震加固的可操作性。

试件模型示意图如图1和图2所示。

图1 构造柱及圈梁砌块尺寸

图2 墙体示意图

这种装配式构造柱及圈梁技术解决了传统构造柱在村镇建筑中难以落实使用的问题，具有造价低廉（芯柱式构造柱无需木工支模）、不影响工期（可随墙体同时砌筑）、施工工艺要求简单（可充分发挥农村泥瓦匠的砌筑工艺、易操作）、原材料质量有保证等特点（预制块由预制厂生产，工厂化生产便于质量监控）。但由于装配式构造柱与外部砌体墙及内部芯柱的粘结性能与现浇式构造柱及圈梁的粘结性能不同，因此对于其抗震性能应当做进一步的分析研究。至今已经开展了若干研究工作，其中多数为试验研究工作，然而试验工作往往受到许多因素的限制，而使用有限元软件对结构进行数值模拟越来越广泛，并且可以实现多组次参数的模拟。本文采用非线性有限元软件ADINA对砌体结构进行模拟，建立3个有限元模型，分别是（1）装配式构造柱及圈梁组合墙；（2）现浇构造柱及圈梁组合墙；（3）无构造柱墙。对比3种不同约束条件在水平力作用下墙体的变形及破坏特点，分析装配式构造柱及圈梁的抗震性能。为装配式构造柱及圈梁在村镇建筑中的应用与发展提供理论依据。

1 计算模型建立

1.1 几何模型

本文使用有限元软件ADINA依据试验数据建立整体式有限元模型，根据对墙体约束的不同，建立装配式构造柱及圈梁组合墙体、现浇构造柱及圈梁组合墙体和无构造柱墙体，结合模拟结果与试验结果对比分析，综合评价装配式构造柱及圈梁对砌体的抗震性能。

1.2 单元类型及材料参数

构造柱、圈梁、砌体、地梁均采用3－D Solid单元，钢筋采用Truss单元中的Rebar，在Rebar中添加代表钢筋的直线。构造柱、圈梁、砌体、地梁均采用整体建模。装配式构造柱及圈梁的弹性模量使用等效弹性模量。所有材料参数如表1所示：

表1 材料参数

2 计算结果及分析

2.1 水平荷载作用下墙体顶点位移－荷载对比分析

图3为装配式构造柱及圈梁组合墙体（简称装配）、现浇构造柱及圈梁组合墙体（简称现浇）和无构造柱墙体（简称素墙）在水平荷载作用下，水平纵向和垂直方向的墙顶位移。竖轴表示荷载步，横轴表示墙体顶点位移大小，单位为mm。施加在墙体上的水平荷载大小为100kN，分10个荷载步逐级增加，即每增加一个荷载步，荷载增大10kN。

从图3中可以看出，设置构造柱以后，在水平荷载作用下，墙顶水平位移明显减小，破坏时仅为无构造柱墙体的30%左右。因此墙体水平抗侧移刚度增加，提高了墙体的抗倒塌能力。

在2个方向，装配式组合墙体与现浇式组合墙体的位移有差异，但是二者相差不大。

图3 墙顶位移图

2.2 水平荷载作用下墙体应变分析

施加在墙体上的水平荷载大小为100kN，分100个时间步逐级增加。例如TIME为0.400时，对应的荷载大小为4kN。通过观察不同约束形式下的墙体在水平荷载作用下应变的发展过程，可以间接得出在水平荷载作用下墙体各个构件的受力和破坏特点，从而科学地评价出装配式构造柱及圈梁对砌体墙的抗震性能。图4为无构造柱墙体在水平荷载作用下的累积有效塑性应变过程图，图5为现浇构造柱及圈梁加固墙体在水平荷载作用下的累积有效塑性应变过程图，图6为装配式构造柱及圈梁加固墙体在水平荷载作用下的累积有效塑性应变过程图。而图4、图5、图6中的图（a）都表示塑性应变最先出现在墙体的位置，图（b）都表示塑性应变约占一半砌体墙的应变图，图（c）都表示塑性应变约占整个砌体墙的应变图，图（d）都表示在水平荷载作用下最终的墙体塑性应变图。通过这些有代表性的墙体塑性应变图，对比分析得出3种不同约束形式的墙体各自的力学性能和特点。

图4 无构造柱墙体累积有效塑性应变图

图5 现浇构造柱加固墙墙体累积有效塑性应变图

图6 装配式构造柱加固墙墙体累积有效塑性应变图

从图4、图5及图6可以看出，对于无构造柱墙体，墙体的塑性应变较设置构造柱及圈梁组合墙体出现的较早，并且随着荷载的进一步加大，墙体的塑性变形由墙体角部与地梁的接触部位向中间扩展的速度非常明显。当加载到一定值后，塑性变形增长缓慢。在此加载阶段之后，主要由地梁承担荷载及变形，这表明砖砌墙体已达到极限应变。从出现塑性应变到塑性应变遍布整个墙体，墙体所承受的荷载较设置构造柱及圈梁的墙体降低50%左右，无构造柱墙体表现出明显的脆性。

从图5及图6可进一步看出，现浇构造柱及圈梁组合墙体在荷载作用下的塑性应变过程与装配式构造柱及圈梁组合墙体的变化形式类似。从对墙体施加荷载到墙体出现第一处塑性应变前，在此阶段，就砌体而言，可以认为整个组合墙体处于弹性阶段。不同于无构造柱墙的塑性应变最先出现于墙体外侧边缘，设置构造柱及圈梁的加固墙体的塑性应变都首先出现于砖砌体上边缘中部。这表明设置构造柱及圈梁改变了墙体的受力性能，对墙体起到了约束作用。随着荷载的进一步增加，墙体的塑性应变增长较快。当荷载加载到一定值以后，构造柱及圈梁的塑性应变逐渐增大，说明构造柱及圈梁能够保证整个墙体发挥承载作用，显著提高墙体的变形能力，提高墙体的整体延性。对于2种有构造柱加固的墙体，较大的塑性应变都出现在钢筋混凝土构造柱上。但是由于构造柱内存在钢筋，所以即使混凝土受拉开裂，其中的钢筋仍然能起到拉结墙体的作用。相比于现浇构造柱及圈梁加固墙体，装配式构造柱及圈梁加固的墙体塑性应变出现的略早，应变范围较大。现浇式优于装配式的原因在于，装配式构造柱及圈梁是由预制模块及在预留孔洞中浇筑混凝土构成，使得混凝土截面小于现浇构造柱及圈梁的截面面积，而且装配式构造柱及圈梁的配筋是在预留的孔洞中完成，其配筋相对集中，较现浇构造柱及圈梁对砌体的约束作用较弱。

从施加荷载的全过程可以发现，砖砌体最先出现塑性应变，并从砖砌体上部向下部，由两边向中间延展，其次构造柱出现塑性应变，并且塑性应变从底部向顶部，由柱子外侧向柱子内侧扩展，最后圈梁出现塑性应变，由砖砌体上边缘角部与圈梁的接触部位向四周扩展。从图5（d）和图6（d）可以发现，在荷载作用下，构造柱、圈梁和砖砌体共同工作，构造柱和圈梁对墙体起弱框架作用，约束了墙体的变形，从而改善了墙体脆性破坏，使其整个组合墙体的抗震性能得到了充分发挥。

使用ADINA非线性有限元软件所得结果与试验结果王旭光［10］，冷小民［11］有一定的吻合度，说明利用有限元软件可保证对装配式构造柱及圈梁进行的抗震性能分析的精度。

在对墙体的3种约束类型，即装配式构造柱及圈梁约束墙体、现浇构造柱及圈梁约束墙体、无构造柱及圈梁组合墙体的研究中发现，有构造柱及圈梁约束的墙片，无论是装配式构造柱及圈梁还是现浇构造柱及圈梁，其性能较无构造柱墙体都获得了极大的提高。这是因为构造柱及圈梁是由混凝土和钢筋构成，自身有很高的强度，且构造柱及圈梁对墙体起约束作用，提高了墙体的整体性，很好地限制了墙体的位移；在荷载相同的条件下，设置构造柱及圈梁的墙片比无构造柱及圈梁墙片的塑性应变要小。相比现浇构造柱及圈梁约束的墙片，装配式构造柱及圈梁所约束的墙片性能略显弱些，但是相差不大。但是考虑到装配式构造柱免支模，可同墙体一起砌筑等在施工方面的优点，装配式构造柱及圈梁在村镇建筑中更加适用。

3 结论

（1）构造柱及圈梁约束的砌体，塑性变形出现较晚，砌体墙的塑性应变发展充分，在砖砌体达到极限变形状态时，构造柱及圈梁仍能够保证墙体的承载能力及变形，提高了墙体的强度，增大了墙体的延性，墙体整体性出色。带构造柱墙体的极限荷载明显高于不带构造柱的墙体，并能明显地提高墙体在水平荷载作用下的侧向承载力和变形能力，使墙体具有足够的抗倒塌能力，从而有效地改变砌体结构的脆性。

（2）装配式构造柱及圈梁组合墙体和现浇构造柱及圈梁组合墙体的塑性应变发展过程类似，现浇构造柱及圈梁组合墙体的塑性应变发挥更充分，承受的荷载更大，从而在地震作用下吸收的能量更多。但是装配式构造柱及圈梁组合墙体较现浇构造柱及圈梁组合墙体相差不多，性能未见明显差别。从墙体抗震性能的比较来看，装配式构造柱及圈梁组合墙体完全能够满足强度及延性的需要，并且装配式构造柱及圈梁在施工（同砖砌体一同砌筑），经济（无需支模）等方面的优势，更加适合在村镇建筑中发展与推广。

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