基于性能的構(gòu)造柱-芯柱墻體抗震水準(zhǔn)研究

劉 偉，王 娛，許 鵬，李 雨

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州450002;3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體抗震性能方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了很多研究成果，然而影響砌塊墻體抗震性能的因素眾多，比如:材料強(qiáng)度、配筋率、灌芯率、高寬比、軸壓比等等，對(duì)于綜合考慮這些影響因素的研究卻十分少見(jiàn).更重要的是，基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論是未來(lái)抗震設(shè)計(jì)理論發(fā)展的必然趨勢(shì)，所以，用基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論對(duì)構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體進(jìn)行抗震性能分析意義重大.但因涉及內(nèi)容廣泛，需要解決的問(wèn)題很多，因此，筆者對(duì)基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論的核心內(nèi)容——構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體抗震性能水準(zhǔn)進(jìn)行研究，以位移角為量化指標(biāo)對(duì)墻體進(jìn)行性能水準(zhǔn)的多級(jí)量化，為震后砌塊墻體損傷程度的宏觀判定提供幫助，為實(shí)現(xiàn)砌塊結(jié)構(gòu)“多級(jí)設(shè)防”提供參考.

1 墻體抗震性能試驗(yàn)總結(jié)和分析

筆者搜集了構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體大量的抗震性能試驗(yàn)［1-7］，發(fā)現(xiàn)其典型破壞具有明顯的相同點(diǎn)，即:在彈性階段，微小裂縫多數(shù)首先出現(xiàn)在構(gòu)造柱與芯柱之間的砌塊位置;在彈塑性階段，裂縫進(jìn)一步發(fā)展，墻體中間的芯柱抑制了裂縫的發(fā)展，在芯柱周邊砌塊部分被壓碎，進(jìn)入塑性破壞階段后，主裂縫徹底貫通，構(gòu)造柱和芯柱鋼筋進(jìn)入強(qiáng)化階段或已經(jīng)被剪斷，砌塊破碎嚴(yán)重，發(fā)生嚴(yán)重的掉落現(xiàn)象，承載力下降，位移迅速增大.同時(shí)，對(duì)砌塊墻體破壞過(guò)程中各階段位移角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，列于表1.

表1 構(gòu)造柱－芯柱體系砌塊墻體試驗(yàn)位移角Tab.1 Experimental disp lacement angles of concrete block walls with tie columns and core columns at each stage

續(xù)表1

對(duì)上表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)初裂位移角位于1/2 500～1/950之間，變異系數(shù)為0.24;極限位移角位于1/446～1/135之間，變異系數(shù)達(dá)到0.25;破壞位移角位于1/250～1/78之間，變異系數(shù)達(dá)到0.31.由此說(shuō)明，整理得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布范圍廣泛，離散性大，且缺少滯回曲線的下降段，樣本數(shù)量不足以從概率的角度統(tǒng)計(jì)出墻體破壞各階段具有較高保證率的位移角安全特征值.

2 砌塊墻體數(shù)值模型的驗(yàn)證

當(dāng)前所統(tǒng)計(jì)到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠完善，筆者利用有限元程序建立多類砌塊墻體進(jìn)行抗震性能分析，以豐富研究樣本.首先對(duì)筆者建議的數(shù)值建模方法進(jìn)行驗(yàn)證，選取熊立紅［8］所進(jìn)行的構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體W-4的擬靜力試驗(yàn)為模擬對(duì)象，采用Solid45單元模擬空心砌塊、灌芯砌塊、構(gòu)造柱，Link8單元模擬鋼筋從而建立模型1-1，以位移循環(huán)加載，牛頓-拉普森法求解得到了具有下降段的滯回曲線(見(jiàn)圖1)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)表2).

圖1 模型1－1滯回曲線Fig.1 The hysteretic curve of 1 －1

表2的對(duì)比結(jié)果表明:砌塊墻體的數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，誤差多數(shù)保持在10%左右，個(gè)別誤差達(dá)到16.4%，但也控制在誤差的允許范圍內(nèi).說(shuō)明按照筆者建議的砌塊墻體數(shù)值建模過(guò)程是正確可行的，能夠很好地模擬砌塊墻體在循環(huán)荷載作用下的破壞全過(guò)程.

表2 試件W－4試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果比較Tab.2 Com parison of W －4 experimental data and its finite element results

3 砌塊墻體抗震性能水準(zhǔn)劃分

影響砌塊墻體抗震性能的因素復(fù)雜多樣，選擇對(duì)砌塊墻體抗震性能水準(zhǔn)影響最大的3個(gè)因素建立數(shù)值模型，即:軸壓比、高寬比、灌芯率.

3.1 建立砌塊墻體數(shù)值模型

將軸壓比劃分為 4個(gè)水平:0.1，0.3，0.4，0.6，因?yàn)槌Ｒ?jiàn)砌塊結(jié)構(gòu)房屋頂層的軸壓比通常在0.1以內(nèi)，而0.6為砌體規(guī)范規(guī)定的上限值［9］;對(duì)于高寬比，以低砌塊墻體為主，以中高砌塊墻體為輔進(jìn)行數(shù)值模擬，將高寬比劃分為4個(gè)水平:0.5，0.8，1.0，1.5;對(duì)于灌芯率，以規(guī)范要求的最小灌芯率33%為下限值［9］，對(duì)灌芯率劃分為4個(gè)水平:33% 、60% 、80% 、100%.

前期建立的墻體模型1-1的軸壓比約為0.1，高寬比為1，灌芯率為33%，以1-1為基礎(chǔ)模型，每次僅改變一個(gè)參數(shù)構(gòu)建成新的模型，并計(jì)算出新模型破壞各階段位移角，列于表3.

表3 第一組構(gòu)造柱－芯柱體系砌塊墻體模型參數(shù)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.3 Model parameters and finite element results of the first group of block walls

各階段性能水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的位移角應(yīng)當(dāng)是個(gè)具有較高保證率的安全特征值，位移角的樣本數(shù)量應(yīng)當(dāng)充足和完善.表1所列試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于諸多學(xué)者的論文，論文中墻體試件的諸多參數(shù)語(yǔ)言不詳，為樣本的廣泛性埋下了隱患;以1-1為基礎(chǔ)模型建立的新模型并不全面，比如:高寬比為0.5，0.8，1.5對(duì)應(yīng)的模型的灌芯率僅有33%，軸壓比僅有0.1.

為了使研究樣本更具代表性，應(yīng)建立第二組數(shù)值模型，本節(jié)對(duì)軸壓比、高寬比、灌芯率分別劃分為3各水平，即軸壓比:0.1，0.3，0.6;高寬比:0.5，1，1.5;灌芯率:33%、60%、100%，并選用L9(3)4進(jìn)行正交試驗(yàn)，在降低試驗(yàn)成本的同時(shí)確保試驗(yàn)精度，并對(duì)第二組模型進(jìn)行求解列于表4.

表4 第二組構(gòu)造柱－芯柱體系砌塊墻體模型參數(shù)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.4 Model parameters and finite element results of the second group of block walls

3.2 性能水準(zhǔn)劃分

表1、表3、表4共同組成了構(gòu)造柱-芯柱墻體的研究樣本，共43例，破壞位移角40例.

對(duì)上述3個(gè)統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)初裂位移角主要集中于1/1 700～1/1 300之間;極限位移角主要集中于1/270～1/200之間;破壞位移角主要集中于1/170～1/120之間.

分析表明，砌塊墻體的位移角在分布廣泛的同時(shí)，都具有一定的集中度，各位移角有可能滿足某種概率分布，并可能通過(guò)這種概率分布規(guī)律求解出其對(duì)應(yīng)的具有一定保證率的置信區(qū)間，從而設(shè)定該保證率對(duì)應(yīng)的位移角作為墻體各性能水準(zhǔn)劃分的安全特征值.研究表明，各位移角普遍近似符合正態(tài)分布規(guī)律.圖2繪制了構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體的各位移角的頻率分布直方圖，圖中曲線表示為正態(tài)分布密度函數(shù)曲線.將砌塊墻體的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表5.

表5 構(gòu)造柱－芯柱體系砌塊墻體各位移角統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.5 Statistical results of displacement angles of block walls with tie columns and core columns

各位移角分布近似服從正態(tài)分布，以平均值減去1倍標(biāo)準(zhǔn)差能夠獲得具有84.2%保證率的位移角限值.筆者以此為劃分依據(jù)，并認(rèn)為84.2%的保證率是可行的.因?yàn)楸ＷC率并不適宜過(guò)高，保證率越高，其結(jié)果必然越保守，并且在建造過(guò)程中無(wú)疑會(huì)造成投入的浪費(fèi);另一方面，就砌塊墻體本身而言，因其計(jì)算結(jié)果離散型很大，若采取更高的保證率，其位移角將覆蓋更廣的范圍，使性能水準(zhǔn)的定量劃分失去意義.

因?yàn)槠鰤K墻體破壞過(guò)程中，起控制作用的是初裂位移角、極限位移角和破壞位移角3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，以此將抗震性能水準(zhǔn)劃分為4個(gè)階段［10］:充分運(yùn)行、損傷運(yùn)行、生命安全、接近倒塌，并在前文試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)的基礎(chǔ)上，對(duì)各階段破壞現(xiàn)象進(jìn)行定性描述，將性能水準(zhǔn)的定量劃分列于表6.

圖2 構(gòu)造柱－芯柱體系砌塊墻體位移角頻率分布直方圖Fig.2 Frequency distribution histograms of displacement angles of block wallswith tie columns and core columns

表6 構(gòu)造柱－芯柱體系砌塊墻體性能水準(zhǔn)的定量劃分Tab.6 Quantitative classification in each performance level of block wallswith tie columns and core columns

上表中，在充分運(yùn)行階段，砌塊墻體完好，墻體中部或下部沿灰縫出現(xiàn)細(xì)小裂縫，墻體基本處于彈性階段，幾乎無(wú)殘余變形;在損傷運(yùn)行階段，砌塊墻體裂縫沿灰縫進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)芯柱的部位裂縫變多、變寬，有芯柱的部位，芯柱周邊砌塊被壓碎，主裂縫尚未貫通，構(gòu)造柱和芯柱出現(xiàn)少許裂縫，砌塊出現(xiàn)少量脫落;在生命安全階段，主裂縫(斜向交叉或水平貫通裂縫)貫通，砌塊脫落明顯，構(gòu)造柱和芯柱裂縫變大、變多，少量芯柱被剪斷，構(gòu)造柱和芯柱縱筋普遍發(fā)生較大變形;在接近倒塌階段，芯柱多數(shù)被剪斷，構(gòu)造柱幾乎被剪斷砌塊脫落嚴(yán)重，接近倒塌狀態(tài).

3.3 砌塊墻體震害分析

目前，關(guān)于砌塊結(jié)構(gòu)的震害情況調(diào)查大多停留在震害現(xiàn)象的分析上，即最常見(jiàn)的震害現(xiàn)象是由于砌體抗剪能力不足造成的斜裂縫或X形裂縫，對(duì)于震害的定量劃分十分罕見(jiàn).劉岸雄［11］在對(duì)汶川地震后都江堰市砌體結(jié)構(gòu)震害進(jìn)行調(diào)查后，根據(jù)墻體的最大裂縫寬度可將墻體劃分為基本完好、輕微損傷、中等破壞、嚴(yán)重破壞四個(gè)等級(jí).基本完好無(wú)可見(jiàn)裂縫;輕微破壞:小于1.5 mm;中等破壞:1.5～5.0 mm;嚴(yán)重破壞:5.0 mm以上.這樣的研究結(jié)論與筆者搜集的構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體大量的抗震性能試驗(yàn)的典型破壞現(xiàn)象是接近的，所以筆者所建議的砌塊墻體性能水準(zhǔn)的宏觀描述和定量劃分方式是可行的.

4 結(jié)論

(1)構(gòu)造柱-芯柱體系砌塊墻體的各階段位移角的頻率分布都近似服從正態(tài)分布，以位移角平均值減去1倍標(biāo)準(zhǔn)差的方式，能夠得到具有84.2%保證率的各階段位移角安全特征值.

(2)根據(jù)砌塊墻體的破壞特征，砌塊墻體的性能水準(zhǔn)可以劃分為4個(gè)階段:充分運(yùn)行、損傷運(yùn)行、生命安全、接近倒塌.

(3)砌塊墻體各性能水準(zhǔn)的宏觀破壞特征的描述及定量劃分，為震后砌塊墻體損傷程度的判定提供參考依據(jù)，即:充分運(yùn)行對(duì)應(yīng)于［θ］＜1/2 049;損傷運(yùn)行對(duì)應(yīng)于1/2 049≤［θ］＜1/323;生命安全對(duì)應(yīng)于1/323≤［θ］＜1/191;接近倒塌對(duì)應(yīng)于［θ］≥1/191.研究成果為震后砌塊墻體損傷程度的宏觀判定提供了幫助，并為實(shí)現(xiàn)砌塊結(jié)構(gòu)“多級(jí)設(shè)防”提供了參考.

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