裝配式圈梁構造柱砌體結構抗震性能研究

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(1.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050021；2.河北省既有建筑綜合改造工程技術創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050021；3. 河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；4.華北理工大學,河北 唐山 063009)

0 引言

我國是一個幅員遼闊、災害頻繁的國家。其中，地震災害是造成人員傷亡和財產(chǎn)損失最嚴重的自然災害。歷史震害表明，房屋破壞和倒塌造成的人員傷亡約占總傷亡人數(shù)的95%，造成的直接經(jīng)濟損失占地震直接經(jīng)濟損失的80%以上，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的威脅[1]。

傳統(tǒng)的抗震加固方法主要著眼于提高梁、板、柱及其連接的剛度來抵抗結構的地震作用，一般有鋼筋混凝土外加層加固法、水泥灌漿法、外加構造柱與鋼拉桿抗震加固法、內(nèi)設構造柱與圈梁加固法、增設抗震墻等方法[2]。鋼筋混凝土外加層加固法就是在建筑物外側現(xiàn)澆鋼筋混凝土從而達到加固的目的，施工簡單、技術成熟、應用較廣泛，但是加固后建筑物凈空減小，給生產(chǎn)和生活帶來一定的影響。水泥灌漿法，顧名思義，就是采用灌漿的方法，把水泥砂漿注入墻體的裂縫中，等其硬化后，墻體的整體性和強度都會得到提升，從而達到補強加固的效果。外加構造柱與鋼拉桿抗震加固法和內(nèi)設構造柱與圈梁加固法都是對未采取加固措施的建筑物增設加固結構的方法，可以較大幅度地提高建筑物的抗震能力。這些加固措施的優(yōu)點是技術簡單和現(xiàn)場施工方便等，但同時也存在創(chuàng)面較大、施工時間長和現(xiàn)場作業(yè)多等缺點。我國廣大村鎮(zhèn)住宅卻很少設置抗震措施[3]，究其原因，主要包括以下幾點：(1)標準規(guī)定的抗震措施在村鎮(zhèn)的可操作性較差。我國廣大農(nóng)村地區(qū)缺乏建筑抗震方面的專業(yè)知識，建造房屋往往憑經(jīng)驗設計施工，大多數(shù)建筑具有隨意性。城鎮(zhèn)地區(qū)有資質(zhì)、有技術實力的建筑施工企業(yè)不愿意到村鎮(zhèn)地區(qū)承接工程。村鎮(zhèn)地區(qū)缺乏掌握規(guī)范施工做法的工匠，標準規(guī)定的抗震措施難以貫徹執(zhí)行。(2)傳統(tǒng)的抗震措施技術難度大，造價高、工期長，在農(nóng)村住宅中難以實施。

在這種背景下，裝配式圈梁構造柱成為了研究的熱點，該技術可以在廣大農(nóng)村地區(qū)推廣應用，具有造價低廉，施工工期短，工藝要求簡單和原材料質(zhì)量有保證等特點，具有較高的工程應用價值和巨大的社會效益[4]。本文對村鎮(zhèn)裝配式圈梁構造柱結構開展了試驗研究，并利用有限元軟件進行了拓展分析，得出了一些有益的結論，可為工程實踐提供參考和指導。

1 試驗概況

圖1 墻體試件示意圖(單位：mm)

1.1 試件制作

為了研究不同圈梁構造柱形式和不同豎向壓應力作用下墻體的力學性能，本次試驗制作了4組試驗構件，墻體編號及其參數(shù)如表1和圖1所示。圈梁構造柱以及底梁配筋情況如圖2、圖3所示。

表1 試驗墻體編號及參數(shù)

圖2 圈梁構造柱試件配筋圖(單位：mm)

圖3 墻體試件底梁配筋圖(單位：mm)

砌體墻體的制作過程：首先綁扎底梁鋼筋；支模澆筑底梁混凝土；當?shù)琢夯炷吝_到一定的強度后，在混凝土底梁上砌筑墻體及圈梁構造柱空心砌塊，墻體采用一順一丁砌法，墻體中心線和底梁中線重合；7 d之后，待墻體砌筑砂漿達到強度時，在砌好的圈梁及構造柱砌塊內(nèi)部空心處插入鋼筋(素混凝土墻不插)，然后采用免振搗自密實混凝土澆筑圈梁及構造柱。墻體試件底梁和砌筑后的墻體試件如圖4所示。

圖4 墻體試件底梁和砌筑后的墻體試件

1.2 試驗加載裝置和加載制度

加載裝置示意圖見圖5所示。

圖5 試驗加載裝置圖

試驗的具體方法參照中華人民共和國《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ101—96)。在加載初期，按照每級30 kN的方式進行分級加載，墻體將要出現(xiàn)裂縫時，逐漸減小級差，加載至指定級數(shù)后，保持2 min,這個過程是利用荷載進行控制的；繼續(xù)加載，墻體出現(xiàn)裂縫，此時采用位移進行控制，按照開裂時墻體的最大位移為標準，以該位移值的倍數(shù)為級差進行加載。墻體出現(xiàn)裂縫之前，每級荷載往復一次，出現(xiàn)裂縫之后，每級荷載往復2次。直至實踐破壞。

1.3 試驗結果分析

圖6 試驗墻體GJQ0裂縫圖

以GJQ0為例，描述試驗現(xiàn)象。加載初期，墻體位移較小，應力應變呈線性關系，隨著荷載增大，滯回曲線呈現(xiàn)細長梭形，然后墻體與底座之間出現(xiàn)了裂縫1，如圖6所示，繼續(xù)加載，兩側的裂縫不斷向前延伸，裂縫2向前延伸的較裂縫1快。底部裂縫1通過第一皮豎向灰縫向墻體上部延伸。裂縫2有與裂縫1匯合的趨勢。此時裂縫已經(jīng)比較明顯，判斷此時墻體已經(jīng)開裂，取正反向加載荷載的均值140 kN作為開裂荷載，取正方向位移均值4.8 mm為開裂位移。此后荷載加大至200 kN后，達到峰值,為極限荷載，此時位移為7.9 mm,為極限位移。持續(xù)加載，墻體破壞，此時荷載為142 kN,位移達到20.2 mm。

其它破壞后的墻體都有明顯的主裂縫，表現(xiàn)為延性特征，墻體保持了較好的整體性。墻體墻頂位移與抗震抗剪承載力如表2所示。

表2 墻體抗震抗剪承載力與墻頂位移

由表2中數(shù)據(jù)可以看出：鋼筋混凝土圈梁構造柱墻體施加豎向荷載后，初裂荷載提高了33%，極限荷載提高了22%，破壞荷載提高了50%；素混凝土圈梁構造柱施加豎向荷載后，初裂荷載提高了192%，極限荷載提高了290%，破壞荷載提高了444%。由此可以得到，裝配式圈梁構造柱墻體抗震抗剪強度與墻頂?shù)呢Q向荷載成正比關系，特別是對于素混凝土圈梁構造柱墻體，施加豎向壓應力后，其初裂荷載、極限荷載、破壞荷載成倍增長。

2 非線性有限元模型分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用有限元軟件ADINA建立有限元計算模型。

2.1 單元選擇

砌體墻、構造柱、圈梁、底梁均選取三維實體單元Solid,該單元可以合理地描述構件的應力應變和裂縫情況；鋼筋選用Rebar單元，該單元可以自動生成鋼筋單元并且便于設定鋼筋的截面特性[5]。

2.2 材料性質(zhì)

材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)

2.3 本構關系

(1)砌體本構關系。砌體材料采用plastic-multilinear,應力與應變關系采用線性強化的兩段式直線表達。

(2)混凝土本構關系?；炷敛牧衔床捎肁DINA中嵌入的混凝土材料模型，而是采用ADINA中提供的plastic-multilinear,其應力和應變關系也采用線性強化彈塑性兩段式直線表達方式。

圖7 有限元模型

(3)鋼筋的本構關系。ADINA中提供了一種專門用于模擬鋼筋的Rebar單元，它的特點是可以自動生成鋼筋單元并且便于設定鋼筋的截面特性，只需添加代表鋼筋的Line即可完成對鋼筋性能的操作。

2.4 創(chuàng)建模型

參照試驗數(shù)據(jù)，采用整體建模，選擇ADINA Structure模塊，指定總體的控制參數(shù)，根據(jù)試驗實際情況在底梁下部施加所有的位移約束和轉角約束，按照試驗尺寸使用ADINA-AUI定義幾何模型的幾何特性，賦予幾何模型所選擇的單元類型、材料屬性和本構關系。對幾何模型進行8節(jié)點六面體單元網(wǎng)格劃分，劃分長度為100 mm,最終生成有限元模型，如圖7所示。

2.5 計算結果分析

根據(jù)試驗情況施加約束和荷載，以GJQ0和CQ0為例，把計算數(shù)據(jù)與已有的試驗結果進行比對，如表4所示。

表4 有限元模擬與試驗極限荷載對比

由表4的數(shù)據(jù)可知，有限元計算結果與試驗結果基本一致，說明所建的有限元模型是可靠的，可以利用該模型開展進一步的拓展分析研究。

2.6 有限元拓展分析

利用驗證可靠后的模型，對比分析裝配式圈梁構造柱墻體、無構造柱墻體以及現(xiàn)澆圈梁構造柱墻體的滯回曲線，如圖8～圖10所示，評價裝配式構造柱及圈梁組合墻體在水平往復位移作用下的墻體力學性能。

圖8 裝配式圈梁構造柱墻體的“滯回曲線”

圖9 無構造柱墻體的“滯回曲線”

圖10 現(xiàn)澆圈梁構造柱墻體的“滯回曲線”

從圖8曲線來看，裝配式組合墻體的“滯回曲線”較為飽滿，這表明在循環(huán)加載過程中，能夠消耗更多的能量，墻體的延性較好，墻體極限位移為14.9 mm,極限荷載為199.8 kN。從圖9曲線來看，相比設置圈梁構造柱組合墻體來說，無構造柱的墻體“滯回曲線”更為纖瘦。說明其延性較差,墻體極限位移為4 mm,極限荷載為7.3 kN。從圖10中可以觀察到，現(xiàn)澆圈梁構造柱組合墻體的“滯回曲線”是3種墻體中最為飽滿的，說明其延性最好，墻體極限位移為22 mm，極限荷載為265.0 kN。

3 結論

(1)通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，對于裝配式圈梁構造柱墻體，施加豎向壓應力，可顯著提高其抗震能力，特別是對于素混凝土圈梁構造柱墻體，施加豎向壓應力后，其極限荷載成倍增長。

(2)根據(jù)裝配式圈梁構造柱結構的特點，選擇合適的單元類型和材料屬性，建立了有限元計算模型，計算結果與試驗結果吻合良好，說明所建模型是可靠的，可以利用本模型開展拓展分析研究。

(3)利用有限元模型，對比分析裝配式圈梁構造柱墻體、無構造柱墻體、現(xiàn)澆圈梁構造柱墻體的滯回曲線。得出如下結論。

①無論是裝配式還是現(xiàn)澆，增設圈梁構造柱后，墻體滯回曲線明顯飽滿，說明在地震作用下，加設圈梁構造柱的墻體能夠吸收更多的能量，使結構擁有更好的抗震性能，因此有條件的地區(qū)，所建房屋應該增設圈梁構造柱。

②裝配式圈梁構造柱組合墻體和現(xiàn)澆圈梁構造柱組合墻體的滯回曲線形狀類似，極限荷載和極限位移也較為接近，說明這兩種結構形式墻體抗震性能差別不大，而裝配式圈梁構造柱在施工以及成本方面有無可比擬的優(yōu)勢，因此適宜在廣大農(nóng)村推廣應用。