ECC加固空斗墻建筑擬靜力試驗研究

來源: www.tcwpwd.live 作者:lgg 發布時間:2018-01-23 論文字數:38596字
論文編號: sb2018011914393419379 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是建筑論文,本文首先對砌筑塊體、砂漿、和 ECC 做了抗壓試驗。利用試驗結果,通過有限元對未加固空斗墻和邊框加固空斗墻進行了有限元分析。為擬靜力試驗做準備。
1 緒論
 
1.1 引言
與實心墻相比,空斗墻體節省磚材和砂漿、減少勞動力及運輸費用并且能減輕墻體重量。由于墻體內部空斗形成的空氣隔層,其隔熱、保溫和隔音等性能較好,因而在我國華東和中南地區廣泛應用。由于農房多為 1~3 層,荷載不大,跨度也小,所以在農村采用更多。但由于房屋采用空斗砌法,眠磚設置較少,墻體的抗剪能力和整體性較差。地震災害表明:空斗墻并未因為自重較輕而提高抗震性能,相反地,在地震作用下,空斗墻的破壞更為嚴重。實際中的空斗墻房屋多是一、二層房屋,樓板一般采用預制空心板或者木樓板,大多沒有設置圈梁,縱橫墻也無槎連接,砌筑砂漿強度低,致使房屋的整體性較差,抗震能力較弱。傳統民居是祖先智慧的結晶,是我國寶貴的物質文化遺產。國家新型城鎮化建設戰略提出要對傳統建筑風貌進行保護,結構的加固就要同時兼顧結構安全性能與傳統風貌的保護。本文結合高延性纖維混凝土的研究成果,從傳統民居建筑風貌保護與結構安全性能提升相結合的角度出發,針對現有的空斗墻砌筑方式和砌筑材料進行不同形式的加固,并對墻體進行擬靜力試驗研究其抗震性,為空斗墻民居的加固改造提供依據。
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1.2 空斗墻房屋結構的結構安全性問題
我國地震活動頻繁而且廣泛地震基本烈度在 6 度及以上的地區超過 75%,其中地震基本烈度為 7 度及其以上的地區接近 50%。我國農村地區的房屋結構類型大部分是砌體結構,砌體結構抗拉、抗彎及抗剪強度均較低,在遭受地震荷載作用時脆性破壞,地震時造成較大的人員傷亡和財產損失。歷次震害表明,砌體結構特別是空斗砌體結構在地震中破壞嚴重。為了減少房屋破壞造成的人員和財產損失,國家也采取了相應的措施,在 2001 年的 《砌體結構設計規范》 中取消了空斗墻,在 2011 年的 《農村危房改造抗震安全基本要求(試行)》 中嚴禁在抗震設防區采用空斗墻承重。但是我國農村還有大量的空斗墻,此外我國有著大量悠久珍貴的古建筑、構筑物,如果全部拆除既不經濟也不現實,因此,在原有建筑的基礎上,對其進行加固改造,提高結構的安全性,將會帶來巨大的社會效益。磚、石是一種傳統建筑材料,發展至今砌體結構仍然是一種應用廣泛的建筑結構體系,與砌體結構的眾多優點是分不開的。砌體結構的優點主要有[2]:1)原材料可以就地取材價格低廉;結構施工方便,不需要模板等特殊施工手段,耐火性、耐久性、保溫、隔熱、節能的效果都比較好。但它也存在一些缺點[2]:農田被過多占用影響環境;強度比較低自重比較大;抗拉、抗彎和抗剪強度都比較低、抗震性不好;無法進行機械化施工在某種程度上加大了施工工期。空斗墻體自身整體性與穩定性很差。需要靠一些構造上的措施來保證結構的抗震性能:墻體的重要部位(如轉角、縱橫墻交接處、室內地坪以下勒腳墻等)須砌成實體,門窗洞口處宜設置過梁。內部空間較大的建筑物或 2~3 層的樓房,宜設整體交圈的鋼筋圈梁。空斗墻在在下列情況采用易發生安全性問題:地基土質不好,會造成不均勻沉降的地方;門窗面積超過墻面面積 50%時;7 度以上的地震區;單層廠房和大中開間的房屋。朱立新研究員[15]經震害調查后提出:空斗墻承重房屋震害的主要原因主要有兩方面:結構布置不合理和砌塊不標準。課題組研究表明:江浙地帶采用的非標砌塊較多,結構布置不合理主要如下:①縱墻較少的空斗墻用于承重②空斗墻砌筑層數過高,高度增加導致的高寬比過大;③房屋門窗洞口過大,導致縱向窗間墻尺寸過小;④無圈梁構造柱和過梁;⑤需實砌部位未進行實砌處理;⑥空斗墻體自身耐久性差,磚材、砂漿風化嚴重。
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2 空斗墻體水平抗剪擬靜力試驗
 
本文采用的試驗方法是擬靜力試驗方法[23]。擬靜力試驗能觀察試件全過程的力-位移的變化規律以及試件破損的發展過程。一般用來研究試件的承載力、變形能力和耗能性質及其破壞機制等。
 
2.1 試驗目的
本試驗的目的在于通過對高延性纖維混凝土(ECC)加固低標號砂漿空斗砌體的擬靜力試驗研究,對比分析未加固空斗墻體試件和加固后的空斗墻體試件的抗震性能。分析不同砌筑方式、不同材料特性、不同的加固方式對墻體抗震性能提高程度的影響,并在試驗的基礎上,通過試驗研究結果和理論分析,對各種加固方式進行模擬,對比試驗與有限元軟件分析,進行理論和試驗的互相印證。
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2.2 墻體試件制作與加固
 
2.2.1 結構試件的設計與制作
相似條件是指模型與原型相應的物理量相似[24]。對于靜力試驗,一般取較大的比例尺,砌體結構模型常取 1:1。本次試驗為了模擬現實和試驗條件的限制并保證與課題組前期試驗一致,相似關系如下表 2.1:本試驗共設計制作了 12 片標準磚墻體試件(一斗一眠 4 片,兩斗一眠 4 片,三斗一眠 4 片,如圖 2-1~2-3 所示)和 3 片一斗一眠模型磚墻體試件(如圖 2-4 所示)。標準磚尺寸為 240mm×115mm×53mm,模型磚尺寸為 200mm×96mm×45mm。標 準 磚 和 模 型 磚 墻 體 試 件 截 面 尺 寸 分 別 為 2300mm×1500mm×240mm 和2300mm×1500mm×200mm 高寬比為 1:1.51。墻體試件的頂梁采用強度為 C30 的混凝土澆筑,底梁采用 C40 的混凝土澆筑而成。為了防止在墻體在頂梁和底梁界面破壞,頂梁和底梁與墻體連接處均采用 10mm 厚的水泥砂漿進行加強處理。本文所有墻片試件都是由兩名普通工人按圖 2.1~2.4 所示的砌筑方法根據規范[25]要求砌筑的。試驗用的混凝土底梁為課題組做墻片的完整底梁。為了減弱砌筑砂漿的離散性,在砌筑中,每盤砂槳均勻地用于各片墻片由兩名普通工人砌筑完 2 個試件同一皮砌塊后再砌筑下一皮砌塊。如圖 2.5。砌筑完成養護七天以上,墻體有一定強度,開始進行支模板(圖 2.6),進行頂梁的澆筑。
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3 試驗結果分析..........29
3.1 材料的基本力學性能試驗.......29
3.2 墻體的抗震抗剪承載力...........31
3.3 墻體的滯回曲線.....33
3.4 墻體的骨架曲線.....36
3.5 試件耗能性能.........40
3.6 墻體的剛度和剛度退化曲線............41
3.7 墻體的延性及相對變形...........43
3.8 本章小結........46
4 ECC 加固空斗墻非線性分析.......... 49
4.1 引言.......49
4.2 非線性有限元軟件(ABAQUS)的概述..........49
4.3 材料的單元類型.....49
4.4 ECC 加固空斗墻的本構關系的表達式............ 50
4.5 模型參數設置.........56
4.5.1 砌體的泊松比.......56
4.6 整體建模........57
4.7 ECC 加固空斗墻有限元分析模型........... 57
4.8 ECC 加固空斗墻非線性結果分析........... 59
4.9 本章小結........61
5 結論與展望......63
5.1 結論.......63
5.2 存在的問題及展望..........64
 
4 ECC 加固空斗墻非線性分析
 
4.1 引言
為了更好的研究 ECC 加固后的空斗墻體,常采用試驗和數值模擬相結合的方法研究其抗震性能。試驗方法的可靠性較強,但是費用高,周期長,受試驗條件的影響大,有限元分析數值模擬的方法減少了試驗材料制作過程中材料性能本身及人為因素的缺陷,能彌補試驗的局限性。本文采用大型通用有限元分析軟件 ABAQUS 來分析高延性纖維混凝土 ECC加固空斗墻的抗震性能。 通過現有砌體的研究成果,確立了空斗墻的本構模型,建立整體式模型,利用纖維增強混凝土力學性能試驗研究成果,建立加固前后的墻體有限元模型,對比分析加固前后理論分析值與試驗值,驗證思想方法的可行性,為以后的加固設計提供參考。ABAQUS 是大型的有限元分析軟件之一,功能比較強大,無論是單一零件的力學和多物理場的分析,還是復雜的結構系統,它都可以勝任,目前在各國的工業研究中應用比較廣泛。ABAQUS 單元庫豐富,材料模型庫龐大,功能比較強大且全面,能解決結構分析(應力/位移)問題,能夠分析熱傳導、質量擴散、電子元件的熱控制(熱/電耦合分析)、聲學、土壤力學(滲流/應力耦合分析)和壓電分析等[36]廣泛領域中的問題。
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結論
 
本文首先闡述了砌體結構在國內外的發展與應用介紹了加固技術的發展現狀和相關研究成果設計制作了 13 片 ECC 加固的墻體和 2 片未加固的墻體,并進行了低周反復荷載試驗。綜述了相關有限元理論知識在此基礎上利用大型通用有限元軟件ABAQUS對高延性混凝土加固空斗墻體進行了探索性的研究得出了以下結論:對采用 ECC 加固的 13 片墻體和 2 片未加固的墻體進行了低周反復荷載試驗在試驗結果的基礎上針對以下幾個方面進行了對比分析:墻體的不同破壞形態、抗震抗剪承載力、延性性能、滯回曲線、骨架曲線、剛度及剛度退化等。通過對比分析得到以下結論:(1)空斗墻在擬靜力試驗中會出現三個階段:即彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。一斗一眠未加固墻體在 60KN 時開裂,151.7KN 時達到極限荷載。破壞過程較為迅速,并出現明顯的脆性破壞現象。當三斗一眠采用雙面加固時:墻體在195KN 時,上部墻體與底梁形成裂縫并逐漸延伸,直到增加到 21.6mm 時,墻體因局部被壓碎而破壞。三斗一眠單面加固墻體和一斗一眠單面加固墻體由于兩側剛度差別較大均會出現扭轉現象。邊框加固墻體發生沿對角的剪切破壞。(2)加固后的墻體開裂荷載和極限荷載都有較大程度的提高,特別是開裂荷載提高幅度較大。對于一斗一眠和三斗一眠的墻體,邊框加固的開裂荷載分別提高了 1.5 倍和 1.36 倍。十字加固的開裂荷載分別提高了 1.5 倍和 1.72 倍。單面全抹的開裂荷載均提高接近 2 倍。兩面全抹的開裂荷載提高在 2.5 倍以上。對于極限荷載,一斗一眠提高幅度相比三斗一眠稍弱。一斗一眠的邊框和十字加固分別提高了百分之十左右,三斗一眠則都在百分之三十以上。單面全抹的墻體提高了一倍左右,雙面全抹的提高在 1.5 倍以上。(3)未加固的空斗墻體滯回環和能量耗散系數均比較小,加固后的滯回環面積明顯增大,極限能量耗散系數都有不同程度的增加。相同條件下,一斗一眠的要比三斗一眠的滯回環面積大,說明了一斗一眠要比三斗一眠的耗能能力強。加固后滯回面積增長基本都在 2 倍以上。單面全抹和雙面全抹的墻體滯回面積在十倍以上。滯回耗能提高比較明顯。
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參考文獻(略)

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