配筋加气混凝土墙体抗震性能分析.pdf

中国科技核心期刊 新 巍 配筋加气混凝土墙体抗震性能分析 郝勇 ， 巴盼锋 ( 1 闸 北建筑工程学院 土木学院， 河北 张家口0 7 5 0 0 0 ： 2 北京工业大学 建工学院， 北京1 0 0 1 2 4 ) 摘要 ： 通过对加气混凝土墙体竖向极限承载力的分析， 结合分析结果， 采用最优的模型方案， 探讨低周反复荷载作用下墙体的 延性、 滞回等一些抗震性能 分析探讨开洞后墙体在中心荷载及偏心荷载作用下的抗震性能， 综合所有分析结果， 提出加固及改进 措施 ， 以供参考 。 关键词： 配筋加气混凝土： 低周反复荷载； 抗震性能； 延性 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 O 2 x( 2 0 l 4 ) 0 4 0 0 4 2 0 4 An a l y s i s o n s e ismi c p e r f o r ma n c e o f r e i n f o r c e d a e r a t e d c o n c r e t e wa l l H A 0 Y o ， ， B A P a n f e ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， He b e i I n s t i t u t e o f Ar c h i t e c t u r a l E n gi n e e ri n g ， Z h a n g j i a k o u 0 7 5 0 0 0 ， He b e i ， C h i n a ： 2 S c h o o l o f C i v i l E n gi n e e ri n g ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e v e r t i c al u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f a e r a t e d c o n c r e t e w a l l w a s a n a l y z e d i n t h i s a r t i c l e C o m b i n e d w i t h t h e r e s u h s o f t h e a n a l y s i s ， u s i n g t h e mo d e l o f t h e o p t i mal s o l u t i o n， t h e d u c t i l i t y， h y s t e r e s i s an d o t h e r s e i s mi c p e r f o r man c e o f t h e wa l l a n d e r l o w c y c l i c l o a d i n g we r e d i s c u s s e dF i n all y， s e i s mi c b e h a v i o r o f t he wall w i t h h o l e s u nd e r t h e c e n t r a l l o a d a n d e c c e n t ric l o a d we r e a n aly z e d a n d d i s c u s s e d Ba s e d o n all t h e a n a l y s i s res u l t s ， r e i n f o r c e me n t and i mp r o v e me n t me a s u res a r e p rop o s e d f o r r e f e r e n c e Ke y wo r d s ： r e i n f o r c e d a e r a t e d c o n c r e t e w all ： l o w c y c l i c l o a d i n g ： s e i s mi c p e rf o r m a n c e ： d u c t i l i t y 0 前言 近年来，国内外众多专家学者对加气混凝土进行了研 究 ， 针对这些研究发现： 有效的构造措施能够极大地提高 加气混凝土墙的极限承载力及抗震性能。本文结合墙体竖向 极限承载力的分析结果， 并结合改进后的构造措施， 施加水 平低周反复荷载的作用， 分析墙体的抗震性能 就开洞墙体 在中心荷载作用下， 结合2 种方案进行对比分析： 方案一， 水 平配筋方案； 方案二， 水平配筋条带方案。 最后结合墙体在偏 心竖向荷载作用下的破坏模式， 比较不同偏心荷载作用下的 极限结果， 并提出改进措施。 1 有限元基本假定及计算参数 1 I 基本假定 基金项 目： 河北省建设厅计划项 目( 2 0 1 2 1 2 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 2 1 6 作者简介： 郝勇， 男， 1 9 8 0年生， 山西朔州人， 讲师。E - ma i h h n p y b p f _ 3 6 9 1 6 3 c o rn。 4 2 新型建筑材料 2 0 1 4 4 ( 1 ) 墙体处在一种平面应力状态下； ( 2 ) 墙体单元采用P L A N E 4 2 进行划分， 钢筋采用 L I K E 8 单元； G ) 加气混凝土砌块和砂浆综合考虑， 其中均采用D r u k e r - p r a g e r 屈服准则； ( 4 ) 构造柱和墙体拉结良好， 不考虑二者之间的滑移作 用。 1 2 材料性质 本文中的构造柱均采用C 2 0 的混凝土， 弹性模量E = 2 5 5 G P a ， 泊松比u - 0 2 ， 轴心抗拉强度 = 1 5 4 M P a ， 裂缝张开传递 系数为0 1 2 5 ，闭合裂缝传递系数为0 9 。钢筋的弹性模量 2 0 0 G P a ， 泊松比v = 0 2 5 ， 屈服应力W o = = 2 0 0 M P a 。加气混凝土 砌块强度等级采用A 5 0 ，尺寸为6 0 0 m m 3 0 0 m m x 2 4 0 m m， 砌筑好的加气混凝土墙的计算参数见表 l 。 表 1 加气混凝土墙的计算参数 钢筋采用一种简化的弹塑性本构关系理论， 如图1 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郝勇， 等： 配筋加气混凝土墙体抗震性能分析 图 I 钢筋的本构关系及墙体的有限元模型 1 - 3 模型尺寸 ( a ) G W l 针对文献 8 】 对竖向承载力的分析结果， 拟采用以下分析 模型尺寸， 见图2 。 2 墙体抗震性能分析 2 1 墙体的有限元分析模型 结合竖向极限承载力分析结果嘲 ， 对墙体进行改造， 其中 G W一 1 墙体构造柱间距为3 0 m ， 构造柱尺寸为2 5 0 m m x 2 5 0 m m， 配筋参照相关规范， 墙厚为2 5 0 m m ， 高2 7 i n 。 G W一 2 加 设水平配筋条带， G w一 3 中间加密构造柱，其余构造措施均 和G W一 1 保持一致。 ( b ) G W 一 2 图 2 改造后墙体模型尺寸 2 2 加载方式 首先进行单调水平加载，确定墙体的开裂荷载和开裂位 移。 为了更精确的与实际问题一致， 采用力和位移控制加载相 结合的方式进行。首先进行力加载控制，加载到开裂荷载的 8 0 左右， 然后进行位移控制加载， 位移控制时的大小不宜过 大、 也不宜过小， 适当调整位移大小， 开裂前， 每个荷载循环 1 次， 开裂后， 每个 荷载步 循环2 次。 加载控制如图3 所示41。 图3 低周反复荷载控制示意 2 3 墙体的水平位移分析 通过有限元分析图2 中的 尺寸模型，得到 不同 阶段墙体 顶点的水平位移值见表 2 。 ( C ) G W 一 3 表 2 不同阶段墙体顶点的水平位移 通过表2 可以发现， 由于加密构造柱以后， 墙体的侧向刚 度要增大很多， 侧向位移就相对会减小。 加设配筋条带以后， 墙体分为上下2 部分参与受力，有效的约束作用能够延缓墙 体破坏阶段的提前到来。 2 4 墙体的滞回性能 首先， 墙体在开裂前荷载相对比较小， 滞回环基本重合， 几乎呈线性分布， 滞回环面积很小。 此时墙体处于弹性工作阶 段， 刚度变化也很小。 其次， 随着墙体荷载的增大， 试件的微裂缝开始出现并扩 展， 滞回环向位移轴方向倾斜， 滞回面积增大， 墙体进入塑性 阶段。 最后， 墙体达到极限荷载后， 承载力开始出现下降， 位移 大幅度增大， 由于在砌块之间产生了相对滑移， 最后使得滞回 环呈 现倒S 形状。 G w 一 2 墙体在 低周反复 荷载下的 滞回曲 线 见图4 。 NE W B UI L DI NG MAT E R I AL S 4 3 姗 姗 m 啪 2 o 垒 R 邂 窖 辗 幂 槭 3 2 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郝勇， 等： 配筋加气混凝土墙体抗震性能分析 V 2 5 0 0 一 塑性阶段 2000 藿 1500 1000 5 0 0 I I l l 1 2 3 4 一 一 图4 G W一 2墙体在低周反复荷载下的滞回曲线 2 5 墙体的延性 比 结构构件的变形能力通常采用延性系数来表达。所谓延 性， 指结构或构件超过弹性阶段， 在承载力无明显下降的情况 下的变形能力。各墙体的延性系数见表3 。 表 3 各墙体的延性系数 从表3 可以看出， G w一 2 墙体的延性比较好，其次是加 密构造柱后的墙体G W一 3 。加密构造柱以后， 墙体的抗剪承 载力提高了将近 1 0倍， 构造柱的约束作用， 能够使得墙体裂 缝只能沿着中构造柱的两边相对延伸，同时提高了墙体的延 性； 加设水平配筋带以后， 延性的提高主要由于水平配筋带直 接参与抗剪。 3 开洞墙体抗震性能分析 3 1 开洞墙体的有限元分析模型 本文对2片5 7 5 m x 2 7 5 m x 0 2 5 m( 长 高X 宽) 的墙体进 行受力分析， 其中方案一： 在墙体的每条灰缝中间加入 2 ( I ) 8 的钢筋， 并和构造柱进行拉结； 方案二， 在窗口的上下部位， 分 别布设5 0 m m的配筋条带。2 种方案中的砂浆和砌体都综合 进行考虑， 混凝土采用带下降段的本构关系， 墙体开洞尺寸为 1 5 m x 1 5 m( Ex 高) ， 其它参数均参照以上条件。墙体开洞的 有限元模型见图5 。 卜 卜 斗 七 士 什 攀 堪 舅 静 7L f 世 一 土 土 士 1 边 柱 边 ： 了 一 一 一 j 件 ： 柱一 一 一 一 n l i t HI 卜 l H t t H H _1 _ H HH L 卜 t t _ t _ _ t t t H i E 蕖 图 5 墙体开洞的有限元模型 3 2 中心荷载作用 4 4 新型建筑材料 2 0 1 4 4 在中心荷载的作用下，墙体都沿窗对角线方向发生剪切 破坏， 结合这种破坏方式， 我们分别对2 种情况的开洞问题做 出对比方案： 方案一， 在砌体的每条灰缝中间加设2 根 8 m m 钢筋进行拉结。方案二， 在窗洞1：3 的上、 下方布设2 条配筋条 带。 2 种方案均是在墙体上施加竖向中心荷载O 1 M P a 的作用 下， 施加水平低周反复荷载的作用。分析结果见表4 。 表4 中心荷载的作用下墙体开裂破坏的分析结果 从表4 可以看出： ( 1 ) 2 种方案的开裂位移、 开裂荷载的差别不大； ( 2 ) 2 种方案的极限荷载、 极限位移差别比较明显， 方案 一 的极限荷载为1 7 2 1 k N ， 方案二的极限荷载为1 2 2 3 k N ， 极 限荷载相差约为方案一的4 2 ， 极限位移相差约5 0 ； ( 3 ) 通过数据可以计算出墙体的延性系数， 方案一为4 8 ， 要明显大于方案二的延性系数( 2 7 ) 。所以， 综合比对可以发 现，方案一在墙体内架设水平拉结筋要优于洞口上下端加设 水平条带的情况。 3 3 偏心荷载作用 墙体模型尺寸结合以上的分析，洞口 采用 1 5 m x 1 5 m。 外保温墙体的偏心竖向荷载，采用 1 0 m高的加气混凝土墙， 等效以后的竖向荷载进行计算， 折合后约为0 0 5 M P a 。假设 偏心荷载为0 0 2 0 0 8 M P a ， 内承重墙体采用0 1 M P a 的竖向 荷载作用。 并且假设外保温墙体和内承重墙之间拉结良 好， 无 相对滑移。开设2 个洞12 时的详细尺寸模型见图6 。 二 【 j 二 【 j I I l I l I l I l I l I l I 一 l l l I l l l 1 l l I I I I I I I l 一 l l I 1 I l I l 一 i l 图 6 墙体开 2个洞口时的墙体分析模型 针对墙体偏心荷载的大小不同，分别考虑5 种方案进行 分析， 竖向承重墙体施加竖向0 1 M P a 的均布荷载作用， 方案 一 方案五的偏心荷载作用大小分别为0 0 2 、 0 0 4 、 0 0 5 、 0 0 6 、 0 0 8 M P a 。 计算时等效为集中荷载作用， 偏心荷载施加在承重 墙上， 并采用 1 0 0 m m单元格尺寸表示外保温墙( 阴影部分) ， 偏心荷载作用有限元网格划分见图7 。 0 广 1 1 。，。1vL 一， 一 m骷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郝勇， 等： 配筋加气混凝土墙体抗震性能分析 图 7 偏心荷载作 用有 限元 网格划分 在低周反复荷载作用下，墙体的破坏首先从洞口的顶端 开始开裂，然后逐渐蔓延开来。 裂缝的开裂首先从承重墙开 始， 并逐渐向 外保 温墙体进行蔓延， 达到洞口的四 个角均产生 开裂， 最后墙体的开裂蔓延至构造柱边沿。 承重墙体的整体裂缝是从洞口的四周首先开裂，并沿着 砌体和构造柱的连接部位开始蔓延，开裂以后逐渐蔓延至构 造柱， 二次开裂主要在砌体中的部分最多， 混凝土部分未产生 二次开裂。墙体的开裂蔓延过程见图8 。 图 8 墙体开洞后的裂缝蔓延过程 在偏心荷载的作用下， 分析墙体的破坏模式， 可以发现外 保温墙体在低周反复荷载的作用下，极容易脱落并和外墙分 离。所以， 应该加强外保温墙体和内承重墙之间的拉结作用。 偏心荷载作用下墙体开裂破坏的分析结果见表5 。 表 5 偏心荷载作用下墙体开裂破坏的分析结果 通过上述分析数据可以发现以下规律： 承重墙体在偏心 荷载大小相等的情况下，外墙体的偏心载荷大小能够明显地 影响墙体的开裂荷载和开裂位移，随着外保温墙体所受到的 极限力逐渐增大， 开裂位移也开始逐渐变小， 呈现下降趋势。 这主要是由于偏心荷载的加大， 导致外保温墙体首先开裂。 偏 心荷载的大小是决定墙体开裂部位的主要原因。 极限承载力随着墙体偏心荷载的变化影响不大，但是极 限位移有明显变小的趋势，其中方案五中的墙体破坏是从外 墙体的失稳破坏开始。 外墙的破坏， 导致了保温墙和承重墙分 离。 4 结论 ( 1 ) 墙体内灰缝中加设水平拉结筋， 延性要优于在洞口 上 下部位加设水平配筋条带。 ( 2 ) 墙体开洞的情况下， 裂缝先从洞口四角边沿处首先开 裂。未开洞的情况下， 墙体会从构造柱的底端首先开裂。 ( 3 ) 偏心荷载作用下外保温墙体和承重墙很容易分离， 注 意保温墙体和承重墙体之间的拉结作用。 参考文献： 【 1 1 D a v i d Z Ya n k e l e v s k y ， t z h a k A v n o n A u t o c l a v e d a e r a te d c o n c r e t e b e h a v i o r u n d e r e x p l o s i v e a c t i o n E 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 r i als ， 1 9 9 8 ， 1 2( 6 7 )： 3 5 9 3 6 4 2 2 Ht i l y a K u s ， T h o ma s C a r l s s o n Mi c r o s t mc t u r a l i n v e s t i g a t i o n s o f n a t u r a l l y a n d a r t i fic i a l l y we a t h e r e d a u t o c | a v e d a e r a t e d c o n c r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 3 3 ： 1 4 2 3 - 1 4 3 2 【 3 】 赵成文， 高连玉， 周培厚 蒸压加气混凝土砌体抗压强度试验研 究 c P 国工程建设标准化协会砌体结构专业委员会 蒸压加气 混凝土砌块砌 体结构研究 ， 2 0 1 0 4 】 于敬 海 新 型轻质 加气 混凝土 承重砌 体抗震 性能 的研究 D 天 津： 天津大 学， 2 0 0 8 【 5 吴会 阁， 赵均 ， 凌沛春， 等 设芯柱 的蒸压加气 混凝 土砌体承重墙 抗震性 能试验 J 】 北京工业大学学报 ， 2 0 1 3( 1 ) ： 5 1 5 6 6 】 G B T 1 1 9 6 8 - 1 9 9 7 ， 蒸压加气混凝 土砌块【 S 】 7 7 J G J q l 7 2 0 o 8 ， 蒸压加气混凝 土应用 技术【 S 】 【 8 】 尹新生 ， 巴盼锋 ， 蔡婧娓， 等 配筋加气混凝土墙 竖向极限承载力 分析 J 】 新型建筑材料， 2 0 1 0( 1 0 ) ： 3 4 3 7 A ( 上接第 2 6页) 2 】 DB 1 1 ， r 7 7 5 2 0 1 0 ， 透水混凝土路面技术规程【 S 3 】 龙湘敏 ， 谢友 均， 刘宝举 超细粉煤 灰在低水胶 比浆体 中的密 实 填充作用【 J 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 8 4 0 4 】 周士琼 ， 李益进 ， 尹健 ， 等 超细 粉煤灰 的性 能研 究 J 硅 酸盐学 报 ， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 5 )： 5 1 3 5 1 6 5 谢友均 超 细粉煤 灰高性 能混 凝土 的研 究与应用 【 D 长沙 ： 中南 大学 ， 2 0 0 6 6 6 刘金梅 ， 卢 忠远 ， 严云 超 细粉煤 灰与高效减 水剂复 合减水效应 研究 J 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 4 ) ： 1 2 0 1 2 4 A N E W BUl L Dl NG M AT ER I AL S 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m