基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目(.)新疆生产建设兵团第五师科技支撑项目(.)通信作者:王玉山副教授:.引用格式:吴楠王玉山王锐等.基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究.应用力学学报():.():.文章编号:()基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究吴楠王玉山王锐牛爱宏王迪(.石河子大学水利建筑工程学院 石河子.新疆兵团高烈度寒区建筑抗震节能技术工程实验室 石河子.石河子大学理学院 石河子)摘 要:利用沙漠砂研发的蒸压加气混凝土砌块是一种新型砌体材料 为了研究这种新型砌块在村镇建筑中的应用考虑在不同竖向压应力和构造柱的约束作用下对 片沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体开展拟静力试验通过对比分析 片墙体在低周反复荷载作用下的破坏特性、力位移曲线、骨架曲线、刚度退化曲线及延性等性能指标 结果表明:)墙体主要以剪切破坏为主未设置构造柱墙体主裂缝沿约 贯彻整个墙体设置构造柱墙体主裂缝呈“倒八”字型且当竖向压应力增大时墙体的抗震承载力也随之增大抗侧刚度有所提高但延性随之减小)竖向压应力相同情况下对比分析表明设置构造柱墙体的极限承载力约是素墙体的.倍延性提高了约 且刚度也有所提升)基于主拉应力理论和库仑破坏理论分别建立了适用于该新型砌块墙体的抗震承载力计算公式且库仑破坏理论建立的抗震承载力计算公式应用更合理)建立了恢复力模型骨架曲线能够较好地反映沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的试验特点关键词:沙漠砂蒸压加气混凝土砌块构造柱拟静力试验抗震性能承载力恢复力模型中图分类号:.文献标志码:./.(.):.第 期吴楠等:基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:).“”.).).).:由于经济水平、地域性和民俗的差异据调查新疆广大农村建筑多数仍采用砌体结构而传统砌体结构中的黏土砖又会消耗大量的资源严重污染和破坏了环境因此研发一种新型墙体材料就具有非常重要的现实意义 新疆是我国主要的地震频发区之 一 并 且 具 有 丰 富 的 自 然 资 源 沙 漠砂 等对不同区域的沙漠砂进行了研究得出其元素成分以及粒径大小都存在差异对混凝土的力学性能也有影响 李志强等研究了不同沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响 等用毛乌素沙漠砂制备出能满足一般工程要求的高强度混凝土 本研究采用的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块是用沙漠砂替代普通河砂制得的新型砌块沙漠砂替代率为 其中使用的沙漠砂来自于新疆古尔班通古特沙漠具体为新疆新疆生产建设兵团第五师 团沙山子镇沙漠砂成分构成见表该沙漠砂的粒径为 制备的砌块具有容重轻、可加工性强、保温效果好、抗冻性能强等特点 是一种绿色节能的墙体材料在新疆低层村镇建筑中具有广泛的应用市场本研究针对低层村镇建筑设计了 片沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体其中 片墙体设置构造柱分别承受.、.、.的竖向压应力另外 片墙体作为对照组 分别开展了拟静力试验研究对比分析了墙体的破坏性特征、力位移曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和延性等指标并建立了该新型砌块墙体的抗震承载力计算公式以及恢复力模型骨架曲线表 新疆生产建设兵团第五师 团沙山子镇沙漠砂成分构成.成分构成质量分数/.试验概括.材料性能本试验采用的砌块尺寸为 根据蒸压加气混凝土性能试验方法测得砌块密度以及抗压强度依据砌体基本力学性能试验方法标准测得砌体的抗压强度以及砌体沿通缝截面抗剪强度 砂浆强度等级设计采用.浇筑.的砂浆试块测得砂浆实际抗压强度结果见表 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报表 材料性能表.砌块密度/()砌块抗压强度/砌体抗压强度/砌体通缝抗剪强度/砂浆抗压强度/.试件设计为研究竖向压应力的不同对该种墙体抗震性能的影响根据砌体结构设计规范的规定结合实验室的设备条件因此控制 片墙体的尺寸一致按照高宽比小于设计了墙体的尺寸为 底梁的长度为 、高度和宽度分别为 底梁和构造柱分别采用 和 的混凝土每根构造柱采用 根直径 的 的带肋钢筋 构造柱的截面 尺 寸 为 片墙体的基本设计参数见表设构造柱墙体尺寸见图 无构造柱的素墙体尺寸见图 表 试件的设计参数.序号编号高宽比设计尺寸/墙体类别竖向荷载/.设构造柱.设构造柱.设构造柱.素墙体(无构造柱).图 设构造柱墙体尺寸图.图 素墙体尺寸图.加载方案本试验通过 作动器对墙体顶部中心位置施加水平荷载为了防止局部压应力过大在作动器与墙体接触面进行了增大接触面积的处理 反力架上的千斤顶施加竖向压应力为使荷载的布置均匀设置分 配 梁 将 荷 载 传 递 到 墙 体 上 加 载 装 置见图 图 加载装置图.垂直加载控制:将竖向荷载施加至墙体设构造柱的墙体采用.、.、.竖向压应力进行对比试验素墙体只用.的竖向压应力进行对比试验水平加载控制:采用位移加载在墙体出现裂缝之前控制各级位移增值在预估开裂位移 的/每级位移加载重复两次墙体有显著的裂缝时控制位移按照开裂位移的倍数施加即为 、当墙体承载力下降到极限承载力的 以下时加载结束加载系统曲线如图 所示第 期吴楠等:基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 加载系统.量测内容试验数据采用 数据采集系统采集墙体的位移和扭转由位移传感器采集 位移计布置于墙体试件的一端沿墙高上、中、下 个位置布置用于测量墙体的水平移动并设置斜拉位移计测定墙片扭转同时在底梁设置百分表用于观察底梁移动距离 具体布置见图 图 位移计布置图.试验结果及分析.墙体破坏过程对于墙体 水平位移 .时墙体左上部出现细微的斜裂缝随着位移的增加裂缝增多 .时左下砌块和构造柱的连接处产生垂直裂缝 .时斜向裂缝出现在墙体右半部分由砌块延伸至构造柱 .时裂缝倾斜地出现在墙体的左下方并向上延伸到左侧构造柱 当 .时左侧构造柱的中下部产生水平裂缝同时墙体中部的裂缝有剥落现象 当.时墙体灰缝脱落墙体主裂缝呈现“倒八”型 当 .时墙体的剥落严重主裂缝从构造柱延伸向砌块当 .时墙体承载力下降到极限承载力的 以下试验结束构造柱内部钢筋未露出 墙体裂缝见图 图 裂缝示意图.对于墙体 当水平位移 .时不明显的细微裂缝出现在墙体的左上角 .时原有裂缝加宽并且右侧的构造柱下部也有水平开裂现象 .时裂缝开始分别从墙体左上方和右上方延伸到中下方并且中部也产生了斜裂缝 .时穿过墙体的长裂缝出现在墙体的右侧裂缝出现在左侧构造柱的中部和下部.时裂缝继续加宽左侧构造柱与墙体连接处的裂缝扩大至 .时墙体大量剥落墙体主裂缝呈“倒八”型 当 .墙体承载力下降到极限承载力的 以下试验结束构造柱内部钢筋未露出 墙体裂缝见图 图 裂缝示意图.对于墙体 当水平位移 .时首 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报先墙体右下方产生细小的斜裂缝 当 .时出现宽度为.的垂直裂缝从墙体的中部延伸到墙体的底部 当 .时向下延伸的裂缝出现在墙体的左侧 .右侧出现.的斜裂缝 当 .时墙体中下部产生斜裂缝 当 .时构造柱沿水平方向出现开裂局部产生剥落 当 .时墙体左下方的砌块膨胀 当 .时左下方膨胀处产生剥落现象 左侧的墙体倾斜裂缝变宽到 直至穿透墙体与此同时墙体上部产生大块鼓包 .时墙体出现大量剥落最上部的砌块已经破坏墙体即将倒塌墙体主裂缝整体呈“倒八字型 当 .墙体承载力下降到极限承载力的 以下试验结束构造柱内部钢筋未露出 墙体裂缝如图 所示图 裂缝示意图.对于墙体 当水平位移 .时墙体的中下部出现轻微斜裂缝 .时斜向裂缝产生在墙体的右下方灰缝处 .时斜裂缝出现在墙体左下角及右下角右下角裂缝斜向上延伸同时右上角出现小块剥落 .时斜向裂缝加宽至 墙体此时发生小面积剥落 .时墙体右下方产生断裂裂缝并且贯通第、皮砌块 .时左上角斜向裂缝加宽至 .时墙壁严重受损并倒塌此时墙体承载力下降至极限承载力的 以下试验结束 墙体被剪切破坏如图 所示图 裂缝示意图.墙体荷载和位移试验结果各墙体的主要试验结果见表 竖向压应力对墙体的抗震承载力有重要影响 随着竖向压应力的增加墙体的开裂荷载和极限荷载也逐渐增加 但增加的程度并不相同如.作用下墙体的开裂荷载是.的墙体的.倍极限荷载是 倍 但是 的竖向压应力作用下的墙体开裂荷载和极限荷载相较于 的竖向压应力作用下的墙体提升却有限 主要是因为随着压应力的增加 墙 体 破 坏 类 型 由 剪 切 破 坏 向 斜 压 破坏转变表 墙体试验结果.试件编号竖向压应力/开裂荷载/开裂位移/开裂位移角/极限荷载/极限位移/极限位移角/破坏荷载/破坏位移/破坏位移角/././././././././././././第 期吴楠等:基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.力位移曲线低周反复荷载作用下每片墙体的力位移曲线见图 根 据 力位 移 曲 线 的 特 点 可 以 得 出 以下结果图 力位移曲线.)开裂前力位移曲线接近于直线滞回面积与残余变形都较小力位移曲线大致重合墙体处在弹性阶段刚度基本不变 随着荷载的增加裂缝增加滞回线开始弯曲滞回曲线与坐标轴形成的面积逐渐增大)随着水平位移的增加、墙体的滞回环仍旧稳定且饱满说明墙体的耗能能力优良 卸载后的墙体残余变形也比较小反映了墙体的弹性恢复力较好 与 墙体相比墙体 的滞回环有“捏拢”现象滞回环相较于 也更饱满体现了构造柱墙体结构有较好的塑性变形能力.骨架曲线及分析墙体的骨架曲线可以在低周反复荷载下直接反映墙体的荷载位移曲线 每个特征点的荷载和位移都可以通过骨架曲线来实现、和 墙体的骨架曲线如图 所示图 墙体骨架曲线.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报由图 可知墙体没有出现裂缝时骨架曲线大致上是一条斜直线此时墙体处在弹性阶段出现裂缝后骨架曲线渐渐开始弯曲可以发现拐点但没有明显的屈服平台此时墙体处在弹塑性阶段到达极限荷载后的墙体其骨架曲线开始下降墙体的刚度和强度也有所降低对比 和 墙体可以得出当竖向压应力相同时构造柱墙体的骨架曲线峰值远大于素墙体 因此构造柱对墙体有很好的约束作用能够大大提高墙体的抗震能力对比墙体、可知墙体抗震承载能力随着竖向压应力的增加而提高对比墙体、分析得出竖向压应力达到.、.时抗震承载力提高较小表明在一定的范围内竖向压应力对墙体的抗震承载力有提升、相较于 墙体在荷载峰值前后有一小段平台段并且荷载比 墙体的下降幅度更缓表明构造柱墙体的延性比起素墙体更优良.刚度退化曲线及分析结构或元件的刚度用反复荷载下的割线刚度表示用下式计算为 ()式中是第 次循环下正向或负向荷载峰值是第 次循环下正向或负向位移峰值墙体刚度退化曲线见图 图 墙体刚度退化曲线.由图 可知 片墙体的刚度退化曲线趋势基本一致 在出现裂缝时等效刚度迅速下降下降速率很快随着水平位移的增大下降速率开始减慢 当达到墙体的极限承载力时刚度下降的幅度己大致趋向平缓竖向压应力相同的情况下对比 和 墙体相同位移下 墙体的刚度均大于 墙体说明设构造柱对墙体的刚度能有所提高对比、墙体刚度发现竖向压应力会对墙体的刚度产生重大影响并且随着竖向压应力的增大墙体的刚度也逐渐增大对于、墙体刚度虽然随着位移的增加在持续下降但基本恒定在某一数值原因是由于构造柱的存在使得墙体在砌块破坏之后仍具有一定的刚度.延性系数及分析延性系数的确定有许多方法本研究用位移延性系数来表示延性表 为墙体的延性系数 其中 是极限延性系数 是破坏延性系数是试件出现裂缝时的位移是极限荷载的极限位移是荷载下降到极限荷载的 时所对应的破坏位移 /()表 墙体的延性系数.试件编号竖向压应力/极限延性系数 破坏延性系数.根据表 中数据可知:构造柱墙体的延性系数随着竖向压应力的增大而降低表明竖向压应力越高墙体延性越低在竖向压应力相同的情况下 墙体的破坏延性系数延性约为 墙体的.倍原因是由于构造柱能有效地抑制墙体的裂缝发展 因此增设构造柱对墙体的延性有一定的提升 抗震承载力计算根据沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体在不同竖向压应力下的受力特点结合建筑抗震设计规范以及砌体结构设计规范中的相关公式建立沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体抗震承载力计算公式 结合试验的结果验证公式的可靠性沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体在不同荷载下第 期吴楠等:基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报的抗震承载力 可用式()表达/()其中:是墙体的横截面面积是承载力抗震调整系数两端带有构造柱的墙体取.砌体抗震抗剪强度的正应力影响系数 是影响抗震承载力的重要因素 根据主拉应力理论以及库仑破坏理论可以分别得到砌体抗剪强度的两种一般表达式即 ()()本研究所用沙漠砂蒸压加气混凝土砌块的砌体通缝抗剪强度设计值 为.通过试验数据拟合了重力荷载代表值对应砌体截面平均压应力和砌体的抗剪强度设计值/比值的计算式为.().()将拟合得到的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的正应力影响系数计算式代入式()即可得到沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震承载力计算公式通过计算求得在两种理论下沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体抗震承载力的计算值见表 由表中数据可得无论是用主拉应力理论还是用库仑破坏理论来计算沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震承载力都是可以的 试验值与计算值的比值前者为.后者为.两者都有一定的安全储备 并且对比发现用库仑破坏理论计算出的沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震承载力的计算值更接近试验值 因此考虑经济因素实际设计中建议采用库仑破坏理论建立的公式确定沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震承载能力表 计算值与试验值.墙体编号试验值/主拉应力理论计算值/平均值库仑破坏理论计算值/平均值.恢复力模型骨架曲线的研究本研究基于低周反复荷载试验得出沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的恢复力模型的骨架曲线将墙体的极限承载力点()作为恢复力模型骨架曲线无量纲化的基准点对 片沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的骨架曲线进行无量纲化得到墙体的无量纲化的骨架曲线如图 所示沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的骨架曲线模型采用三折线模型将试验结果分析与骨架曲线拟合得到简化的骨架曲线见图 个特征点分别为假定屈服点、极限承载力点和墙体破坏点 由于没有明显的屈服平台本研究近似将假定屈服点取为开裂荷载点墙体破坏点取为荷载下降到极限荷载的点 通过拟合计算求得 个特征点坐标依次为:屈服点(.)极限承载力点(.)和破坏点(/.)图 拟合的无量纲化骨架曲线.)弹性段刚度:根据试验结果可知沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体没有明显的屈服平台因此可以把墙体屈服前的骨架曲线简化成一条直线即为图 中的 段 段的弹性刚度为/.()应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 段可用下式表示为 .()图 简化的无量纲化骨架曲线.)弹塑性段刚度:墙体屈服后骨架曲线继续上升在到达极限承载力前可以近似看成一条直线即为图 中的 段 段的刚度为 /.()段可用下式表示为.().()破坏段刚度:墙体达到极限承载力后其水平位移继续增加而荷载开始下降将骨架曲线简化成一条直线即为图 中的 段 取破坏点的荷载为极限荷载的 段的刚度为/.()段可用下式表示为 .()弹性阶段刚度 与通过弹性理论推导出的抗震墙在单位力作用下的初始理论刚度对比误差在以内 因此以 用来表示墙体的初始刚度是适宜的将本研究拟定的恢复力模型骨架曲线与试验的骨架曲线进行对比结果见图 通过对比恢复力模型骨架曲线与 片沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的骨架曲线试验结果较为吻合因此本研究建立的恢复力模型骨架曲线能够反映沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的试验特点图 沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体恢复力模型骨架曲线与试验结果对比.第 期吴楠等:基于村镇建筑的新型沙漠砂混凝土砌块墙体的抗震性能研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 结 论本研究运用了低周反复荷载试验对 片沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震性能进行了研究 得到如下的结论)墙体的破坏主要是剪切破坏 素墙体主裂缝呈一条贯彻整个墙体的斜线构造柱墙体的主裂缝呈“倒八”字型由两根构造柱上部分别向砌体中下部延伸开展)当竖向压应力增大时墙体破坏时的裂缝增加墙体的抗震承载力和抗侧刚度提高而墙体的延性随竖向压应力的增大而减小)竖向压应力一定时构造柱墙体的极限承载力约是素墙体的.倍延性比素墙体增加约 刚度也均大于素墙体)按照规范以及主拉应力理论和库仑破坏理论建立出适用于沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震承载力计算公式并且对比可知采用库仑破坏理论建立的计算公式更加适宜)建立了恢复力模型骨架曲线能够较好地反映沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的试验特点参考文献:周强赵文洋杨凌宇等.打包带加固村镇砌体墙抗震性能试验研究.建筑结构学报(增刊):.():().牛爱宏王玉山王锐等.沙漠砂蒸压加气混凝土砌块墙体的抗震性 能 试 验 研 究 .应 用 力 学 学 报 ():.():().池斌杨旭王凤来等.严寒地区村镇配筋砌块砌体结构应用适宜度初探.建筑结构():.():().王地春.废旧粘土砖治理生命周期环境影响评价.北京:清华大学.于元峰张喜发矫清先等.塔克拉玛干沙漠砂工程性质试验研究.中国沙漠():.():().杨小荟王玉宝崔东等.古尔班通古特沙漠砂的物理力学性质.中国沙漠():.():().():.李志强王国庆杨森等.沙漠砂混凝土力学性能及应力应变本构关 系 试 验 研 究 .应 用 力 学 学 报 ():.():().:.国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会.蒸压加气混凝土性能试验方法:/.北京:中国标准出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.砌体基本力学性能试验方法标准:/.北京:中国计划出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.砌体结构设计规范:.北京:中国计划出版社.结构动力学:理论及其在地震工程中的应用.版.北京:清华大学出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:.北京:中国建筑工业出版社.施楚贤.砌体结构理论与设计.版.北京:中国建筑工业出版社.(编辑 吕茵)