預(yù)制板現(xiàn)澆混凝土疊合層加固砌體教學(xué)樓及抗震性能分析.doc

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2008年“512”汶川地震中大量教學(xué)樓毀壞倒塌，造成大量學(xué)生傷亡，這一慘痛教訓(xùn)使得整個(gè)社會(huì)對(duì)教學(xué)樓安全的重視程度提高到一個(gè)新的水平。筆者經(jīng)過(guò)對(duì)地震現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地調(diào)查以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)12，總結(jié)出地震區(qū)倒塌的教學(xué)樓具有以下典型特點(diǎn)：多為砌體結(jié)構(gòu)，且使用預(yù)制板樓蓋。對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，如何保證結(jié)構(gòu)的整體性和側(cè)向承載力是抗震加固設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文中重點(diǎn)研究旨在增加樓板的平面外剛度而增設(shè)現(xiàn)澆混凝土疊合層的加固方法對(duì)于房屋抗震性能的影響。 1 現(xiàn)有砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓抗震性能分析 在地震中建造年代比較早的砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓大都采用預(yù)制板裝配式樓蓋，空心預(yù)制板直接搭在承重墻體或大梁上，使得空心預(yù)制板的整體性、平面外剛度不足，地震時(shí)作用于樓、屋面板上的水平剪力無(wú)法傳遞至附近的抗震橫墻，只能依靠窗間墻及其大梁下的扶壁柱承受地震力，產(chǎn)生較大變形后，使窗間墻或扶壁柱在偏心較大的重力作用下垮塌，進(jìn)而使整個(gè)樓、屋面板倒塌3。同時(shí)，樓、屋蓋的平面外剛度不足還會(huì)影響到抗震設(shè)計(jì)中地震作用的分配，同樣會(huì)影響到砌體結(jié)構(gòu)的靜力計(jì)算方案4。因此，對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)，樓、屋蓋的平面外剛度對(duì)房屋的整體受力性能有重要影響。 針對(duì)這種地震破壞現(xiàn)象，中國(guó)學(xué)者提出了多種加固方法，如增大窗間墻的截面尺寸，提高窗間墻的承載力，改善窗間墻的延性等，但這些方法并沒(méi)有從本質(zhì)上改進(jìn)砌體結(jié)構(gòu)的整體抗震性能59。為了使抗震橫墻在地震中承擔(dān)大部分地震力，應(yīng)從提高裝配式樓、屋蓋的整體性入手。建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程（JGJ 11698）10中建議的預(yù)制樓板的整體性加固方法是增設(shè)鋼筋混凝土現(xiàn)澆層或增設(shè)托梁，其中增設(shè)托梁的方法由于施工技術(shù)復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)資源花費(fèi)較大等原因，極少在實(shí)際工程中采用。目前，大多數(shù)實(shí)際工程中多采用的加固方法是增設(shè)現(xiàn)澆混凝土疊合層。本文中以典型砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓為研究對(duì)象，采用通用有限元軟件ANSYS分析現(xiàn)澆混凝土疊合層對(duì)砌體結(jié)構(gòu)房屋抗震性能的影響。2 抗震性能有限元分析 2.1 模型概況 本文中以上海市中小學(xué)教學(xué)樓抗震鑒定加固項(xiàng)目為依托，建立一個(gè)典型砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓有限元模型，教學(xué)樓結(jié)構(gòu)平面和立面見(jiàn)圖1。 上海市中小學(xué)教學(xué)樓大部分是建造于20世紀(jì)七八十年代的砌體結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，砂漿強(qiáng)度等級(jí)檢測(cè)評(píng)定為M2.0，燒結(jié)粘土磚的強(qiáng)度等級(jí)為MU10。建筑砌體墻厚度為240 mm，承重大梁尺寸為240 mm400 mm，大梁下承重柱尺寸為240 mm240 mm。空心預(yù)制板尺寸為240 mm3 000 mm，板間間距為80 mm?？招念A(yù)制板厚度為120 mm，按照彎曲模量一致的原則折算成實(shí)心預(yù)制板，厚度為114 mm。 結(jié)構(gòu)建模時(shí)，忽略窗間墻的作用，采用實(shí)體單元模擬砌體材料，殼單元模擬預(yù)制板結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)所輸入的地震波由國(guó)家強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中心提供，為四川什邡市八角鎮(zhèn)地震觀(guān)測(cè)臺(tái)未經(jīng)校正的數(shù)據(jù)，共持時(shí)225 s，步長(zhǎng)0.005 s，45 000個(gè)點(diǎn)。在不影響加速度波形的前提下，本文中選取第3060 s的波進(jìn)行計(jì)算，步長(zhǎng)取為0.02 s，總共1 500個(gè)計(jì)算點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)11中推薦的加速度校正方法，本文中對(duì)第3060 s的加速度波進(jìn)行了校正。 2.2 加固前的結(jié)構(gòu)有限元分析 本文中把房屋結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸方向（縱墻方向）作為x方向，把短軸方向（橫墻方向）作為y方向。表1為加固前砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的前6階模態(tài)。由表1可以看出，結(jié)構(gòu)第1振型表現(xiàn)為y方向的一階平動(dòng)，說(shuō)明x方向抗側(cè)剛度大于y方向抗側(cè)剛度，這 是由于x方向的橫墻較大，而y方向縱墻由于門(mén)窗洞口的影響，抗側(cè)剛度較小。圖211為結(jié)構(gòu)加固前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 從圖2，3可以看出：教學(xué)樓頂層在汶川地震波作用下的y方向最大位移為49.1 mm，墻體傾斜率為0.271%，低于危險(xiǎn)房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)（JGJ 12599）中規(guī)定的結(jié)構(gòu)最大傾斜率為0.7%；頂層加速度時(shí)程最大值為39.86 ms-2，放大系數(shù)為6.86。 從圖46可以看出，縱墻與橫墻的變形并不同步，且變形量存在較大差異。從圖811可以看出，縱墻與橫墻均出現(xiàn)了塑性變形。 砌體教學(xué)樓的橫墻與縱墻在汶川波地震作用下不同響應(yīng)的分析如下： （1）圖3表明，縱墻的加速度總小于橫墻，由于樓蓋平面外剛度不足，兩者的加速度在地震初期之后并不同步。 （2）圖46同樣說(shuō)明，在汶川地震波下砌體教學(xué)樓縱墻的y方向變形始終大于橫墻的y方向變形，峰值時(shí)縱墻變形為橫墻變形的137.5%。從位移角峰值的對(duì)比可以看出，每層縱墻的位移峰值均比橫墻大23倍。 （3）圖7中的縱墻剪力很小，剪力最大值為377.3 kN，橫墻仍然承擔(dān)了絕大部分基底剪力，剪力最大值為2 482.3 kN。 （4）橫墻的主拉應(yīng)力最大值為1.49 MPa，縱墻的主拉應(yīng)力最大值為0.68 MPa。 2.3 加固后的結(jié)構(gòu)有限元分析 為模擬現(xiàn)澆混凝土疊合層的加固效果，本文中利用殼單元Shell181模擬現(xiàn)澆混凝土疊合層，利用其填充原預(yù)制板拼接縫。表2為加固后砌體結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的前6階模態(tài)。砌體房屋經(jīng)現(xiàn)澆混凝土疊合層加固后，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件橫向及縱向砌體墻并未改變，因此其動(dòng)力特性與未加固結(jié)構(gòu)保持一致，其前4階模態(tài)和自振頻率與未加固結(jié)構(gòu)基本相同，只有第5階模態(tài)由y方向二階平動(dòng)變?yōu)閤方向三階平動(dòng)，由于第5階模態(tài)自振頻率較高，其他地震中參與系數(shù)非常小，故對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響不大。圖1221為加固后結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 教學(xué)樓頂層y方向最大位移為28.4 mm，墻體傾斜率為0.161%，比未加固前減小42.16%。結(jié)構(gòu) 5.42 s After Strengthening的速度時(shí)程與加速度時(shí)程均比未加固時(shí)減小，最大速度由0.634 3 ms-1減小到0.464 7 ms-1，最大加速度由39.86 ms-2減小到35.38 ms-2，分別減小了26.74%和11.24%。 圖1416非常明顯地體現(xiàn)了現(xiàn)澆混凝土疊合層加固對(duì)墻體變形的約束作用，縱墻和橫墻變形基本同步。在圖14中，縱墻與橫墻的變形時(shí)程幾乎完全重合，由此可見(jiàn)，加固的效果十分明顯。 從圖18可以看出，砌體結(jié)構(gòu)的平面外變形基本一致，在地震作用下樓蓋的變形基本保持不變。圖1921均可以說(shuō)明，樓蓋和屋蓋經(jīng)過(guò)增設(shè)現(xiàn)澆層加固后橫墻墻體應(yīng)力增大，塑性變形區(qū)域增大，塑性應(yīng)變也隨之增大；縱墻的應(yīng)力大幅減小。 3 結(jié) 語(yǔ) （1）加固后，橫墻與縱墻的加速度基本一致，兩者差異較小，并且橫墻的加速度與縱墻的加速基本上同時(shí)達(dá)到各個(gè)峰值。而在加固前，橫墻與縱墻的加速度存在差異，縱墻并不能通過(guò)屋蓋系統(tǒng)與橫墻變形保持一致，縱墻的加速度在地震作用階段中總小于橫墻。 （2）現(xiàn)澆混凝土疊合層加固后，縱墻變形有所減小，汶川地震波作用下變形由49.1 mm減小到28.4 mm。這是由于屋蓋系統(tǒng)的平面外剛度提高，使其變形受到約束。同時(shí)，橫墻的變形同樣有所減小，變形由35.7 mm減小到27.6 mm。 （3）在縱墻側(cè)向變形減小的同時(shí)，墻體應(yīng)力也隨之減小。加固前，縱墻的主拉應(yīng)力在汶川地震波作用下為0.68 MPa，加固后減小到0.4 MPa。但是橫墻的應(yīng)力變化很小，加固前主拉應(yīng)力為1.49 MPa，加固后為1.67 MPa。 參考文獻(xiàn)： 1 清華大學(xué)、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)專(zhuān)家組.汶川地震建筑震害分析J.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2008，29（4）：19. 2黃 沖.汶川地震后砌體結(jié)構(gòu)震害調(diào)查與震害分析D.上海：同濟(jì)大學(xué)，2011. 3王 莊，李遇春.既有中小學(xué)砌體結(jié)構(gòu)校舍抗震加固研究J.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（增）：436441. 4GB 500112010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范S. 5張 杰.加層改造砌體房屋的抗震鑒定與加固研究D.武漢：華中科技大學(xué)，2004. 6朱 坤.農(nóng)宅開(kāi)洞墻體抗震加固措施及有限元仿真分析D.北京：北京交通大學(xué)，2011. 7李 欣.砌體抗震加固中抗剪承載力研究D.北京：北方工業(yè)大學(xué)，2011. 8