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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(shù)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(jié)構(gòu)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(gòu)造柱與鋼拉桿抗震加固法、內(nèi)設構(gòu)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(cè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土從而達到加固的目的，施工簡單、技術(shù)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(gòu)造柱與鋼拉桿抗震加固法和內(nèi)設構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)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(gòu)造柱成為了研究的熱點，該技術(shù)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(gòu)造柱結(jié)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(gòu)件，墻體編號及其參數(shù)如表1和圖1所示。圈梁構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(jié)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(guān)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(cè)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(gòu)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(gòu)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(gòu)造柱墻體抗震抗剪強度與墻頂?shù)呢Q向荷載成正比關(guān)系，特別是對于素混凝土圈梁構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)關(guān)系

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

(2)混凝土本構(gòu)關(guān)系。混凝土材料未采用ADINA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(guān)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(gòu)關(guān)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(zhuǎn)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(gòu)關(guān)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(jié)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(jié)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(jié)果與試驗結(jié)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(gòu)造柱墻體、無構(gòu)造柱墻體以及現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱墻體的滯回曲線，如圖8～圖10所示，評價裝配式構(gòu)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(gòu)造柱墻體的“滯回曲線”

圖9 無構(gòu)造柱墻體的“滯回曲線”

圖10 現(xiàn)澆圈梁構(gòu)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(gòu)造柱組合墻體來說，無構(gòu)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(gòu)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(jié)論

(1)通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，對于裝配式圈梁構(gòu)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(gòu)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(gòu)造柱結(jié)構(gòu)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(jié)果與試驗結(jié)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(gòu)造柱墻體、無構(gòu)造柱墻體、現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱墻體的滯回曲線。得出如下結(jié)論。

①無論是裝配式還是現(xiàn)澆，增設圈梁構(gòu)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(gòu)造柱的墻體能夠吸收更多的能量，使結(jié)構(gòu)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(gòu)造柱。

②裝配式圈梁構(gòu)造柱組合墻體和現(xiàn)澆圈梁構(gòu)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(jié)構(gòu)形式墻體抗震性能差別不大，而裝配式圈梁構(gòu)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。