空斗墙砌体结构检测与非线性有限元动力分析.pdf

第 2 6卷第 4期 2 0 0 9年 l 2月 华中科技大学学报 城市科学版 J ．o f H U S T ． U r b a n S c i e n c e E d i t i o n Vo 1 ． 2 6 No． 4 De c． 2 OD 9 空斗墙砌体结构检测与非线性有 限元动力分析 魏文晖， 熊利剑， 吴亚丽 武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室， 湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要 本文对村镇住宅中常用的空斗墙砌体结构进行抗震性能研究。通过对武汉汉南区某二层空斗墙砌体 结构进行动力检测， 根据现场测试结果 ， 建立了空斗墙结构的非线性有限元模型， 对其进行了反应谱分析和动 力时程分析， 对该空斗墙结构抗震性能进行了评估。本文还通过对不同构造的空斗墙砌体结构进行对比分析， 讨论了影响空斗墙砌体结构抗震性能的各种关键因素， 为空斗墙结构抗震评估和抗震设计提供了依据。 关键词 空斗墙 ； 检测 ； 有限元分析 ； 抗震性能 中图分类号 T U 3 6 5 T U 3 1 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 - 7 0 3 7 2 0 0 9 0 4 - 0 0 2 0 - 0 5 空斗墙砌体结构由于用材节约 ， 造价较低 ， 是 南方很多村镇大量采用的结构形式之一。空斗墙 房屋的试验研究表明 ， 空斗墙的脆性明显 ， 抗剪强 度较低 ， 房屋的整体性差 ， 其震害 比同类型实砌砖 房严重⋯。然而对 于空 斗墙砌体结构的理论研 究较少， 房屋建造主要是凭经验完成 ， 存在抗震安 全隐患， 因此进行空斗墙房屋 的抗震性能研究具 有重要意义。 本文首先对武汉市汉南区某在建二层空斗墙 砌体结构 图 1 进行静力和动力检测。静力检测 确定原结构砌体和砂浆的强度 ， 再根据相关规范 和参考文献[ 1 ] 确定空斗墙的强度。动力检测确 定空斗墙结构的动力特性 ， 为有限元建模提供依 据。考虑到空斗墙结构形式复杂 ， 本文采用通过 现场测试结果与有限元 模型模态分析对 比的方 法 ， 确定空斗墙刚度 即壳单元 的厚度 ， 以此为 依据建立了空斗墙结构的非线性有限元模型 ， 对 图 1 空斗墙砌体结构 其进行 了反应谱分析和动力时程分析， 对该空斗 墙结构抗震性能进行评估。另外 ， 文 中还通过对 不同构造的空斗墙砌体结构对比分析计算， 探讨 了影响空斗墙砌体结构抗震性能的各种关键因素 圈梁、 构造柱等 ， 总结出各种 因素对 空斗墙砌 体抗震性能的影响 ， 为空斗墙结构抗震评估和抗 震设计提供 了依据。 1 工程概况 如图 1 所示 ， 该建筑是一栋典型的空斗墙砌 体结构， 对同类结构具有很好的代表性。图2为 Y _ 1 L ]’ ] L I ． 一 善 ， g l 『 吕 霉 ● - ， 2 6 0 0 【 2 2 0 0 ’ ． 3 6 o o ． ] 8 4 0 o 图 2 砌体结构平 面图 收稿 日期2 0 0 9 - 0 4 - 2 2 修 回日期 2 0 0 9 - 0 8 - 2 6 作者简 介魏文晖 1 9 6 3 一 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 教授 ， 博士， 研究方向为结构抗震 ， w e i w e n h u i w h u t ． e d u ． c n 。 基金项 目武汉市建委科研项 目 2 0 0 8 1 2 。 第4期 魏文晖等 空斗墙砌体结构检测与非线性有限元动力分析 2 1 二层砌体结构平面图 ， 每层层高3 3 0 0 m m， 顶屋楼 梯问层 高2 4 0 0 m m， 窗高 1 8 0 0 m m， 一般 门 洞宽 1 0 0 0 m m， 高2 7 0 0 mm， 正门门洞宽2 4 0 0 mm， 预制 板厚 1 2 0 m m， 各楼层无圈梁和构造柱。 2 空斗墙砌体结构测试 本次测试使用高灵 敏度 的 9 4 1 B型超低频拾 振器和放大器， 测量 由于外界各种干扰因素所 引 起的结构微小且不规则 的振 动， 利用 D H - 5 9 3 5 N 动态信号分析软件中的频谱分析模块得到结构水 平方向 包括横 向、 纵 向 的 自振频率 。为了得到 各种工况下结构 阻尼 比的变化情 况 ， 用 D H MA V 2 ． 3试验模态分析软件中的不测力算法模块得到 空斗墙结构水平向及铅垂向的阻尼比变化隋况。 2 ． 1 结构测点布置 本次测试使用 4个 9 4 1 B型测速仪分别布置 在该住宅楼面和屋面控制点 上， 采用基本 内存采 样方式采取其加速度 ， 并在试验前进行一致性标 定 ， 测点的布置分别如图 3 、 4所示。 ▲ t 1 分 别表示肪向和y 方 向 ’ 图3 结构采集测点布置 图 4拾振器布置 照片 2 ． 2测试数 据整理 分析 使用东方噪声大容量数据采集系统对原结构 脉动采集 ， 通过功率谱分析得到原结构的 自振频 率和相应阻尼 比， 动力测试结果见表 1 。根据静 力检测得出， 原结构采用水泥混合砂浆砌筑 ， 第一 层和第二层 的平均贯人深度分别为 1 0 ． 3 8 mm和 1 0 ． 5 0 mm， 根据相关规程可以查得对应的砂浆强 度约为 1 ． 0 MP a ； 粘土砖强度约为 MU 1 0 ， 根据相 关规范 和文献[ 1 ] ， 砌体抗剪强度为 0 ． 0 4 M P a 。 表 I 实测数据与有限元模态分析结果对比 3 空斗墙砌体结构有限元分析 3 ． 1 材料本构关系和有限元模型 3 ． I ． 1 砌体 本构 关 系 本文假设砌体 为各向同性材料 ， 采用平面应 力状态下 的虎 克公式 和单 向受 压应 力一 应变 关 系 引 一 n 卜 t 一 n I 卜 J 通过对上式赋值求导变换 ， 砌体结构 的弹性 模量 以抗压强度设计值表示为 E 1 2 0 0 f 4 f 2 砌体结构的泊松比则采用经验公式 ] o ． 3 f 1 e 磊 0 ． 1 4 3 本文分析中泊松比取值为 0 ． 1 5 。 3 ． 1 ． 2混凝土 本构 关 系 将构造柱或圈梁中混凝土材料假设为各向同 性材料 ， 剪切变形与拉压变形不耦合。 3 ． 1 ． 3 单 元类 型 1 圈梁和构造柱。采用梁单元模拟圈梁和 构造柱 ， 尺寸均为 2 4 0 m m X 2 4 0 m m， 混凝土强度 等级为 C 2 5 ， 弹性模量取 2 ． 81 0 MP a ， 泊松比为 0． 2。 2 楼面和屋面。楼面和屋面均为预制板结 构 ， 预制板采用混凝土壳单元模拟 ， 两端释放转动 约束 ， 尺寸设置与预制板尺寸一致 ， 板与板问留有 空隙。 3 墙体。采用壳单元模拟墙体。由于空斗 墙结构型式复杂 ， 完全按照其实际结构形式建模 较困难， 因此采用通过现场测试结果与有限元模 型模态分析对 比的方法， 确定空 斗墙 刚度 即壳 单元厚度 。本 文所选结构 即将施工 完毕 ， 因此 墙体和各层的荷载质量可以精确地确 定， 调整壳 单元厚度 ， 使有限元分析模态频率与实测模态频 率一致 ， 即可得到空斗墙按壳单元整体计算时壳 单元的厚度。调整后的墙体厚度为 1 9 5 mm， 与文 2 2 华中科技大学学报 城市科学版 2 0 0 9年 献[ 1 ] 基本一致 ， 动测结果 与模态分析结果见表 1 ， 有限元分析模型见图 5 。 图 5 空斗墙结构有 限元模 型 3 ． 2 原砌体结构反应谱分析 根据上述有限元模型对空斗墙结构分别进行 在 6 、 7度设防烈度下的地震反应谱分析， 探讨空 斗墙结构 的抗震性能 ， 其 中楼面恒载 2 ． 0 k N ／ m 。 不包括板 自重 ， 屋面恒载 2 ． 5 k N ／ m 不包括 板 自重 ； 楼面活载 2 ． 0 k N ／ m 。 表 2为不同地震烈度下反应谱分析的墙体最 大剪应力值。大部分墙体剪应力小于 0 ． 0 5 MP a 。 但屋顶问墙垛处剪应力超过 0 ． 0 4 M P a ， 发生剪切 破坏。七度设防时 ， 各横墙最大剪应力达到 0 ． 1 0 MP a ， 结构剪应力图显示门窗洞 口处应力较大 ， 横 墙部分区域处发生破坏， 屋顶 间也由于门洞过大 等原因发生破坏。因此 ， 该结构不能满足 6度设 防要求 。 表 2 不 同地震烈度下墙体最大剪应力值 1 0 N ／ m 烈度 纵墙 横墙 A轴B轴c轴①轴②轴③轴④轴 6度2 9 ． 6 3 4 9 ． O l 3 8 ． 9 2 1 2 ． 9 7 4 9 ． 0 8 3 8 ． 1 9 1 1 ． 7 2 7度5 9 ． 2 6 9 9 ． 5 4 7 7 ． 8 4 2 5 ． 9 4 9 8 ． 4 2 7 6 ． 3 8 2 3 ． 4 4 4 圈梁 和构造柱 对砌 体结构抗震性 能的影 响 从上述反应谱分析结果可 以看出， 原结构不 能满足六度设 防要求 ， 必须增强其整体性。作者 分别对原结构 ， 设置圈梁 ， 设置构造柱 构造柱在 楼梯间四周角点、 主体结构四周角点以及 B轴和 4轴交点处 和同时设 置圈梁和构造柱 四种工况 进行有限元分析， 探 讨圈梁和构造柱对空斗墙砌 体结构抗震性能的影响。 4 ． 1 不同工况的反应谱分析 分析结果显示， 六度设 防时原结构 的 B轴纵 墙在屋顶间墙垛处出现最大剪应力 0 ． 0 5 1 MP a ， A 轴纵墙剪应力极值为 0 ． 0 3 MP a ； 增设相应构造措 施后 ， 屋顶间的地震反应明显减弱 ， 结构最大剪应 力出现在 A轴纵墙 的窗间墙处。不同烈度下各 工况的墙体平面内最大剪应力值见表 3 。 表 3 各- r ； gT墙体 平面 内最大剪／ ／ -j 值 1 0 ‘ N ／ m 从表 3 看 出， 在设置相应构造措施 以后结构 剪应力峰值都有所降低 ， 设置圈梁后结构的平面 内剪应力下降幅度高达 2 7 ． 4 ％； 同时设置圈梁构 造柱之后 ， 墙体的剪应力降低 了约 3 9 ． 1 ％。可见 增设圈梁或构造柱都能有效降低砌体结构的剪应 力 ， 并达到提高砌体结构抗震性能的 目的。但是 对于 7度设防时 ， 即使结构增设构造措施以后 ， 剪 应力仍然超出结构的抗剪强度而发生破坏， 因此 在合理设置构造措施的同时还应通过提高砂浆强 度等其他措施来提高砌体的抗剪能力 。 纵横墙连接处和屋顶间等部位都是结构的薄 弱层位置。设置圈梁后结构楼层处整体性大大增 强的同时， 纵横墙连接处 的剪应力集中区域明显 增大， 成为主要的薄弱部位。在设置构造柱以后 结构的纵横墙连接处的整体性得到明显改善 。同 时设置圈梁和构造柱 以后 ， 门窗洞 口处 的应力集 中区域较 以前增大， 楼梯间应力集 中区域 明显减 小， 楼梯间的扭转效应和抗剪能力得到明显提高 ， 纵横墙连接处的应力集中区域也明显缩小。 4 ． 2 不 同工况的地震 动时 程分析 增设相应构造措施后 ， 结构平 面内剪应力变 化不定 ， 仅从结构剪应力的变化不能很好说 明构 造措施对砌体结构抗震性能的影响。为了进一步 研究圈梁和构造柱对砌体结构抗震性能的影响， 沿模型 向输入 E 1 一 C e n t r o地震波 ， 采用时程分析 法进行动力非线性分析， 得出多种工况下模型在 七度多遇地震 3 5 g a 1 下的地震反应。分别提取 不伺工况时结构一层 ， 二层处 以及屋顶间节点在 七度多遇地震下前 1 0 S 的时程曲线进行对 比 图 6～1 1 ， 图中 4 3号节点为一层节 点， 4 5号节点为 二层节点 ， 1 6 8号节点为屋顶间转角处节点 。 从时程曲线可见， 设 置圈梁后 节点位移幅值 变化不大， 但增加 了结构的整体性 ； 设置构造柱或 第 4期 魏文晖等 空斗墙砌体结构检测与非线性有限元动力分析 2 3 O 5 O 4 0． 3 o ． 2 0 1 兽 。 目 一 0 1 誊． 0 ．2 导 ． 0 3 ．O ． 4 ．O ． 5 l 0 0 8 O ． 6 l o I4 。 2 0 - o _ 2 雩- 0 ． 4 O 6 -0． 8 一1 ． 0 1 O 0 ．o 嚣 。 最 一 。 蔫 0 寸 -0 O ．1 g l o 潍 鬟- o 叶 4 6 8 1 0 时 间／ s 图 6 一层节点加速度时程 曲线 4 6 8 1 0 时 间／ s 图 7 一层节点位移时程曲线 2 4 6 8 1 0 时 间／ s 图8 二层节点加速度时程曲线 4 6 8 1 0 时 间／ S 图 9 二层节点位移时程 曲线 g 。 最 量。 。 。 。 ．1 2 2 1 g 漤 0 嚣- 0 一 1 ．1 ．2 0 2 4 6 8 1 0 时 间／ s 图 1 0 屋顶 间节点加速度时程 曲线 U Z 4 O l U 时 间／ s 图 1 1 屋顶间节点位移时程曲线 同时设置圈梁构造柱 时节点位移减小幅度较大。 其 中， 一层节点位移极值 由原结构的 0 ． 7 3 m m减 小到设置构造柱之后的 0 ． 5 m m； 二层节点的最大 位移也由原结构 的 1 ． 5 7 n u n减小到设置圈梁和 构造柱后的 0 ． 9 1 m m； 原结构屋顶 间节点在 2 ． 5 8 s 时最大加速度达到 1 ． 1 1 4 m ／ s ， 在 2 ． 6 8 s 时节 点达到最大位移 1 ． 9 7 to n i ， 设置圈梁和构造柱之 后节点在 4 ． 9 2 s时加速度达到最大值为 0 ． 8 6 1 m ／ s ， 同时出现最大位移 1 ． 1 2 m m。可见设置圈 梁和构造柱之后 ， 屋顶间节点的动力放大系数大 大降低 ， 位移也减小 了4 0 ％ 以上。说 明砌体结构 在合理的增设圈梁 和构造柱之后 ， 抗震性能将得 到明显改善。 5 结 论 1 我 国中南部 地 区广 泛采用 的空 斗墙结 构 ， 由于砂浆强度低 ， 无任何构造措施 ， 施工质量 无保障等原因， 抗震能力很弱 ， 通常不满足六度设 防要求。 2 对不满足六度设 防要求 的空斗墙结构增 设圈梁和构造柱等措施 以后， 反应谱法和时程分 析结果表明结构 的墙体应力和层间位移都趋于平 缓 ， 结构的抗震性能明显改善 ， 基本能满足六度设 防要求 ， 但不能满足七度设防要求 。 2 4 华中科技大学学报 城市科学 版 2 0 0 9盎 3 由于鞭稍效应 ， 突 出屋 面的楼梯间塔楼 常常首先破环， 在设计或施工中应与重视。 参考文献 刘昌茂， 冯卫 ， 杨 良荣．空斗墙房屋抗震性能及 加固的试验研究[ J ] ．地震学刊，1 9 9 0 ， 2 l 0 ． 1 5． 施楚贤．砌体结构理论与设计[ M] ．北京 中国建 筑工业出版社 ， 2 0 0 3 ． 候汝欣． 砌体泊松比 试验研究[ C ] ∥砌体结构论文 [ 6 ] [ 7 ] 集． 湖南 湖南大学出版社， 1 9 8 9 1 8 2 1 ． Dh a n a s e k a r M ，K l e e ma n P W ．B i a x i a l s t r e s s - t r a i n r e l a t i o n s f o r b ri c k ma s o n r y [ J ] ．J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n ． g i n e e r i n g i n A me ri c a ，1 9 8 5 ， 7 2 4 7 2 3 - 7 3 5 ． T a y l o r R L．S i mo J C．B e n d i n g a n d Me mb r a n e E l e - m e n t s fo r A n al y s i s o f T h i c k a n d T h i n S h e l l s [ C ] ∥P r o - c e e d i n g s o f t h e NU ME E T A 1 9 8 5 C o n f e r e n c e，S w an s e a W a l e s ，1 9 8 5 1 2 3 1 1 2 4 6 ． G B 5 0 0 0 3 - 2 0 0 1 ， 砌体结构设计规范[ s ] ． G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 1 ， 混凝土结构设计规范[ S ] ， Te s t i n g a n d No n l i n e a r Fi n i t e El e me nt An a l y s i s o n Ca v i t y W a l l St r u c t u r e W E I W e n h u i ，X I O N G L i - j i a n ， Y a l i H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f R o a d w a y B r i d g e a n d S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，the s e i s mi c b e h a v i o r o f c a v i t y wa l l s t r u c t u r e c o mmo n l y us e d i n the c o u n t r y s i d e i s s t u d i e d．A r e a l t wo s t o r y c a v i t y wa l l s t r u c t u r e wh i c h i S i n Ha n n a n d i s t r i c t o f wu h a n c i t y i S c h o s e n t o d o d y na m i C t e s t ．Ac c o r d i n g t o t h e t e s t r e s u l t s ．t h e c a v i t y wa l l s t r u c t u r e o f n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t mo d e l wa s e s t a b - K s h e d ．， I } I e r e s p o n s e s p e c t r u m a n a l y s i s a n d the d y n a mi c t i me h i s t o r y a n a l y s i s o f the fi n i t e e l e me n t mo d e l w e r e c a r ri e d o u t ，a n d the ant i e a r t h q u a k e b e h a v i o r o f the c a v i t y w a l l s t r u c t u r e wa s e v a l u a t e d ．I n a d d i ti o n，a c c o r d i n g t o the c o mp a r a t i v e a n a l y s i s o f d i f f e r e n t t e c t o n i c c a v i t y wa l l s t r u c t u r e ，the k e y f a c t o r s t h a t ma y a ff e c t the s e i s mi c b e h a v i o r o f t h e c a v i ty w a l l s t r u c t u r e s u c h a s t h e ri n g b e a m a n d t h e c o n s t r u c t i o n a l c o l u mn we r e d i s c u s s e d．F i n a Hy山e e ffe c t s o f s e i s mi c b e h a v i o r o f c a v i ty wa l l s t r u c t u r e c a u s e d b y d i ff e r e n t f a c t o r s we r e s u mma fiz e d ．卟 e r e s u l t o f t h e a n a l y s i s c a n p r o v i d e the r e f e r e n c e f o r c a v i t y wa l l s t r u c t u r e a n t i e a r t h qu a k e ass e s s me n t a n d d e s i g n ． Ke y wo r d sc a v i t y wa l l ；t e s t ；fin i t e e l e me n t a n a l y s i s；s e i s mi c b e ha v i o r