钢筋网砂浆面层加固在役和震损砌体结构抗震性能数值模拟研究

来源 :中国地震局工程力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:soul566
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砌体结构历史悠久,在过去相当长的一段时期内作为主要建筑结构形式被广泛采用,统计表明世界上40%-50%的建筑为砌体结构。从1923年的日本关东大地震到2008年的汶川大地震,近百年的震害研究表明,相较于其他类型结构,砌体结构震害尤为突出。汶川地震后,我国各地区开展了包括中小学校舍、幼儿园、医院建筑、城市生命线工程和易造成次生灾害工程的安全隐患排查工作,并对部分在役和震损砌体结构砖墙大量采用钢筋网砂浆面层方法进行加固。2015年第五代《中国地震动参数区划图》颁布实施后,全国近百万平方公里的地区取消非抗震设防区,部分地区抗震设防烈度有较大提升,对在役加固后砌体结构建筑的抗震性能评估工作成为迫切需要解决的问题。基于此因,本文采用数值模拟方法对钢筋网砂浆面层法加固在役和震损砌体结构抗震性能开展研究。论文主要完成了以下工作:(1)针对砌体材料非线性特征二次开发了砌体材料弹塑性损伤本构模型。在本构模型中,采用Rankine理论和Drucker-Prager强度理论来定义受拉、受压屈服面函数,同时对应力更新算法进行修改使本构模型能够考虑受拉塑性永久变形。模型考虑了强度、刚度退化,单边效应及滞回机制。为验证本构模型的准确性,对砖砌体在单调和循环单轴拉压荷载作用进行了数值模拟。建立了不同砌筑砂浆强度的四片砖墙的拟静力试验模型,分析结果表明本构模型能够较好地模拟墙体剪切破坏特征,验证了所建立的弹塑性损伤本构模型的有效性和正确性。(2)建立了考虑应力滞后效应的钢筋网砂浆面层加固砖墙数值模型,揭示了钢筋网砂浆面层加固砖墙应力滞后效应影响规律:对于钢筋网砂浆面层未与楼、地面形成可靠连接的钢筋网砂浆面层加固试件,应力滞后效应对加固试件破坏特征、抗剪极限承载力、刚度特性等影响较小,应力滞后效应会使墙体破坏表现出超前现象,导致墙体极限变形能力降低约8%-18%。(3)将有限-离散元混合方法应用于在役墙体加固试件加载破坏过程数值模拟,实现了对四种砌筑砂浆强度不同竖向压应力条件下总计36片加固砖墙拟静力试验的全过程模拟分析,验证了有限-离散元混合方法模拟钢筋网砂浆面层加固砖墙的适用性和结果可信性。结果表明:单面加固砖墙试件破坏形态为剪切破坏,加固后极限承载力增长约8%-19%;双面加固墙体试件破坏形态为沿墙底部水平灰缝的滑移破坏,加固后试件极限承载力增长约15%-35%。并依据数值模拟结果推导出了加固墙体的抗剪极限承载力计算公式,为加固规范的修订提供了参考依据。(4)通过加载预损伤、加固后二次加载的方式构建了不同损伤等级的震损砖墙加固模型,通过与原未损伤砖墙力学性能的对比分析,得到了钢筋网砂浆面层加固震损砖墙适用性结论:墙顶压力较小(0.1MPa)的低强度砌筑砂浆震损砖墙可以采用单面钢筋网砂浆面层法进行修复;墙顶压力适中(0.3MPa)的低强度砌筑砂浆震损砖墙需按墙体损伤状态确定适宜的加固修复方法;墙顶压力较高(0.6MPa)的震损砖墙,轻微损伤砖墙可采用单面加固修复,一般损伤砖墙应采用双面加固修复,严重损伤砖墙可采用双面加固达到修复变形能力的目的,接近倒塌砖墙不宜采用钢筋网砂浆面层法进行加固。(5)在考虑钢筋网砂浆面层应力滞后效应影响条件下,对六栋在役砌体结构及其采用不同方式加固后结构的抗震性能进行了对比分析,给出了钢筋网砂浆面层方法加固在役砌体结构抗震性能提升规律。分析结果表明:单面钢筋网砂浆面层加固方法能够改善建筑的抗震性能,原有抗震性能较好的三栋建筑采用外墙单面加固方法加固后,能够实现在遭遇本地区抗震设防烈度提高0.5度罕遇地震作用时不发生倒塌破坏;双面钢筋网砂浆面层加固方法对建筑的抗震性能改善明显,对六栋建筑抗震能力薄弱的墙体采用双面加固后,均能实现在遭遇本地区抗震设防烈度提高0.5度罕遇地震作用时不发生倒塌破坏。(6)通过材料参数折减和预损伤推覆作用的方式构建了损伤程度分别为轻微破坏(模拟施工损伤)、中等破坏、严重破坏的三个抗震设防为7度(0.1g)的震损砌体结构模型,对损伤墙体采用双面钢筋网砂浆面层进行加固,并进行Pushover分析,获得了钢筋网砂浆面层加固震损砌体结构的抗震性能变化规律。研究结果表明:对于破坏状态为轻微破坏、中等破坏、严重破坏的震损砌体结构,采用双面钢筋网砂浆面层加固方法对损伤墙体加固可以达到加固修复目的,经加固修复后的震损结构抗震性能不仅可以达到未损前的状态,甚至可以超过原无损砌体结构的抗震性能。
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