此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯系網站刪除預制板現澆混凝土疊合層加固砌體教學樓的抗震性能分析作者：屈文俊 馬瑞嘉 崔巍 摘要：針對2008年“512”汶川地震中砌體結構教學樓大量倒塌這一慘痛教訓，總結了實際工程中砌體結構房屋的整體性缺陷以及常用的加固方法；采用通用有限元分析軟件ANSYS建立了一個典型砌體結構教學樓（預制多孔板裝配式樓蓋）的數值模型，施加經修正后的汶川地震波，并利用有限元時程分析方法，分析了使用現澆混凝土疊合層加固前后該砌體結構教學樓在汶川地震波下的響應，重點對比了結構的模態、變形以及應力水平。結果表明：現澆混凝土疊合層可以使墻體的變形得到有效約束，橫墻和縱墻的加速度基本一致，墻體變形以及最大應力均得到減小，這說明增設現澆混凝土疊合層是一種有效的加固預制板樓蓋的方法。 關鍵詞：砌體結構；抗震性能；有限元分析；現澆混凝土疊合層；預制板 中圖分類號：TU375 文獻標志碼：A 0 引 言 2008年“512”汶川地震中大量教學樓毀壞倒塌，造成大量學生傷亡，這一慘痛教訓使得整個社會對教學樓安全的重視程度提高到一個新的水平。筆者經過對地震現場的實地調查以及查閱相關文獻12，總結出地震區倒塌的教學樓具有以下典型特點：多為砌體結構，且使用預制板樓蓋。對于砌體結構，如何保證結構的整體性和側向承載力是抗震加固設計的關鍵。本文中重點研究旨在增加樓板的平面外剛度而增設現澆混凝土疊合層的加固方法對于房屋抗震性能的影響。 1 現有砌體結構教學樓抗震性能分析 在地震中建造年代比較早的砌體結構教學樓大都采用預制板裝配式樓蓋，空心預制板直接搭在承重墻體或大梁上，使得空心預制板的整體性、平面外剛度不足，地震時作用于樓、屋面板上的水平剪力無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，進而使整個樓、屋面板倒塌3。同時，樓、屋蓋的平面外剛度不足還會影響到抗震設計中地震作用的分配，同樣會影響到砌體結構的靜力計算方案4。因此，對于砌體結構，樓、屋蓋的平面外剛度對房屋的整體受力性能有重要影響。 針對這種地震破壞現象，中國學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，但這些方法并沒有從本質上改進砌體結構的整體抗震性能59。為了使抗震橫墻在地震中承擔大部分地震力，應從提高裝配式樓、屋蓋的整體性入手。建筑抗震加固技術規程（JGJ 11698）10中建議的預制樓板的整體性加固方法是增設鋼筋混凝土現澆層或增設托梁，其中增設托梁的方法由于施工技術復雜、經濟資源花費較大等原因，極少在實際工程中采用。目前，大多數實際工程中多采用的加固方法是增設現澆混凝土疊合層。本文中以典型砌體結構教學樓為研究對象，采用通用有限元軟件ANSYS分析現澆混凝土疊合層對砌體結構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教學樓抗震鑒定加固項目為依托，建立一個典型砌體結構教學樓有限元模型，教學樓結構平面和立面見圖1。 上海市中小學教學樓大部分是建造于20世紀七八十年代的砌體結構，混凝土強度等級為C20，砂漿強度等級檢測評定為M2.0，燒結粘土磚的強度等級為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。空心預制板尺寸為240 mm3 000 mm，板間間距為80 mm。空心預制板厚度為120 mm，按照彎曲模量一致的原則折算成實心預制板，厚度為114 mm。 結構建模時，忽略窗間墻的作用，采用實體單元模擬砌體材料，殼單元模擬預制板結構。結構所輸入的地震波由國家強震動臺網中心提供，為四川什邡市八角鎮地震觀測臺未經校正的數據，共持時225 s，步長0.005 s，45 000個點。在不影響加速度波形的前提下，本文中選取第3060 s的波進行計算，步長取為0.02 s，總共1 500個計算點。根據文獻11中推薦的加速度校正方法，本文中對第3060 s的加速度波進行了校正。 2.2 加固前的結構有限元分析 本文中把房屋結構的長軸方向（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為加固前砌體結構教學樓的前6階模態。由表1可以看出，結構第1振型表現為y方向的一階平動，說明x方向抗側剛度大于y方向抗側剛度，這 是由于x方向的橫墻較大，而y方向縱墻由于門窗洞口的影響，抗側剛度較小。圖211為結構加固前的試驗數據。 從圖2，3可以看出：教學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%，低于危險房屋鑒定標準（JGJ 12599）中規定的結構最大傾斜率為0.7%；頂層加速度時程最大值為39.86 ms-2，放大系數為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，縱墻與橫墻均出現了塑性變形。 砌體教學樓的橫墻與縱墻在汶川波地震作用下不同響應的分析如下： （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同樣說明，在汶川地震波下砌體教學樓縱墻的y方向變形始終大于橫墻的y方向變形，峰值時縱墻變形為橫墻變形的137.5%。從位移角峰值的對比可以看出，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）橫墻的主拉應力最大值為1.49 MPa，縱墻的主拉應力最大值為0.68 MPa。 2.3 加固后的結構有限元分析 為模擬現澆混凝土疊合層的加固效果，本文中利用殼單元Shell181模擬現澆混凝土疊合層，利用其填充原預制板拼接縫。表2為加固后砌體結構教學樓的前6階模態。砌體房屋經現澆混凝土疊合層加固后，因為結構形式及結構的主要抗側力構件橫向及縱向砌體墻并未改變，因此其動力特性與未加固結構保持一致，其前4階模態和自振頻率與未加固結構基本相同，只有第5階模態由y方向二階平動變為x方向三階平動，由于第5階模態自振頻率較高，其他地震中參與系數非常小，故對結構的地震響應影響不大。圖1221為加固后結構的試驗數據。 教學樓頂層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%。結構 5.42 s After Strengthening的速度時程與加速度時程均比未加固時減小，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非常明顯地體現了現澆混凝土疊合層加固對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程幾乎完全重合，由此可見，加固的效果十分明顯。 從圖18可以看出，砌體結構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均可以說明，樓蓋和屋蓋經過增設現澆層加固后橫墻墻體應力增大，塑性變形區域增大，塑性應變也隨之增大；縱墻的應力大幅減小。 3 結 語 （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達到各個峰值。而在加固前，橫墻與縱墻的加速度存在差異，縱墻并不能通過屋蓋系統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。這是由于屋蓋系統的平面外剛度提高，使其變形受到約束。同時，橫墻的變形同樣有所減小，變形由35.7 mm減小到27.6 mm。 （3）在縱墻側向變形減小的同時，墻體應力也隨之減小。加固前，縱墻的主拉應力在汶川地震波作用下為0.68 MPa，加固后減小到0.4 MPa。但是橫墻的應力變化很小，加固前主拉應力為1.49 MPa，加固后為1.67 MPa。 參考文獻： 1 清華大學、西南交通大學、北京交通大學土木工程結構專家組.汶川地震建筑震害分析J.建筑結構學報，2008，29（4）：19. 2黃 沖.汶川地震后砌體結構震害調查與震害分析D.上海：同濟大學，2011. 3王 莊，李遇春.既有中小學砌體結構校舍抗震加固研究J.土木工程學報，2010，43（增）：436441. 4GB 500112010，建筑抗震設計規范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，2004. 6朱 坤.農宅開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，2011. 7李 欣.砌體抗震加固中抗剪承載力研究D.北京：北方工業大學，2011. 8