（工程力学专业论文）混凝土空心砌块砌体结构的弹塑性地震反应分析.pdf

摘要 摘要 混凝土空心砌块作为一种新型的墙体材料，具有节土、节能、利废等经 济优势，近年来已经越来越广泛的应用于我国的工程建设中，并逐渐向中高 层发展。但是由于混凝土空心砌块在中高层上的应用还处于试验阶段，还没 有形成成熟的理论体系，只能借鉴国内外同类中高层试点建筑的设计经验， 因此限制了混凝土空心砌块在中高层的应用。本文在振动台模型试验的基础 上，拟通过对试验模型的数值模拟，说明在地震区建造中高层小型混凝土空 心砌块砌体结构的可行性。基于这一目标，本文作了以下几个方面的工作： 1 、地震模拟试验。介绍了试验模型的设计与构造措施，并对试验数据 进行了分析，得出了放大系数、卓越频率随输入地震动强度的变化规律。 2 、弹性数值模拟。在弹性数值模拟计算中，用s h e l l ( 壳) 单元模拟砌 体墙片，用f r a m e ( 框架) 单元模拟圈梁、构造柱和芯柱，砌块密度采用等 效密度，假定楼板在其平面内为刚性。数值模拟结果表明，计算模型的低阶 模态与试验结果吻合较好：将砌体考虑成单相材料是可行的。 3 、弹塑性数值模拟。由于裂缝主要集中在连梁和底部四层，因此在模 型连梁和底部四层墙片引入n l l i n k 单元，n l l i n k 单元在平面内由轴向弹簧、 剪切弹簧和弯曲弹簧组成即三元件模型。时程分析结果表明，在小震和多遇 地震情况下，计算模型能较好的模拟砌体结构的地震反应，说明计算模型的 选取是合理的，同时也说明参数的选取是可信的。 关键词：混凝土空心砌块结构抗震数值模拟弹塑性时程分析 中国地震局工程力学研究所 a b s t r a c t a san e wh n do fm a s o n r ym a t e r i a l c o n c r e t eh o l l o wb l o c kh a sb e e nw i d e l y u s e dr e c e n ty e a r sb e c a u s eo fl a n dr e s e r v a t i o na n de n e r g ys a v i n g a n dc o n c r e t e h o l l o wb l o c kt e n d st ob eu s e di nm i d d l eh e i g h ta n dh i g h - r i s eb u i l d i n g s o nt h e b a s i so fm o d e lt e s to n s h a k i n g t a b l ea n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i s p a p e r i l l u s 订a t e st h ef e a s i b i l i t yo fm i d d i eh e i d l ta n dh i g h r i s eh o l l o wc o n c r e t eb l o c k m a s o n r ys t r u c t u r e si ns e i s m i cr e g i o n m a i nc o n t e n t so f t h i st 1 1 e s i sa r es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 e a r t h q u a k es i m u l a t i o nt e s t ：s e i s m i c b e h a v i o rs u c ha s a m p l i f i c a t i o n ， p r e d o m i n a n tf r e q u e n c yc h a n g e s e t c a r eo b t a i n e d 2 e l a s t i cn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：i na n a l y t i c a lm o d e l ，m a s o n r yw a l i sa r e s i m u l a t e dw i t hs h e l le l e m e n t s t i eb e a m s s l n c n i r a lc o l u m n sa n dc o r ec o l u m n s w i t l lf r a m ee l e m e n t s e q u i v a l e n td e n s i t yi su s e da st h ed e n s i t yo ft h eb l o c k a n d t 1 1 ef l o o rs l a b sa r ea s s u m e dr i g i di np l a n e t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n d e m o n s t r a t e st h el o wm o d e so fa n a l y t i c a lm o d e lc o i n c i d e dw i t he x p e r i m e n t r e s u l t s ；i ti sf e a s i b l et h a tm a s o n r y i sc o n s i d e r e da su n i f o m lm a t e d a l 3 e l a s t i c p l a s t i c n u m e r i c a ls i m u l a t i o n n l l i n ke l e m e n t sc o n s i s to fa x i s s p r i n g ，s h e a rs p r i n ga n df l e x u r es p r i n ga r ei n t r o d u c e dt ot h et i eb e a m sa n dt h e w a l l sl o c a t e di nt h el o w e rf o u rf l o o r so fe l a s t i cf em o d e l t h er e s u l to ft i m e h i s t o r ya n _ a l y s i sd e m o n s t r a t e st h a tt h ee l a s t i c p l a s t i cf em o d e lc a ns i m u l a t et h e e a r t h q u a k er e s p o n s eo ft l e m o d e is n l l c t u r e sw e l lw h e nt h e ya r es u b j e c t e dt o m i n o re a r t h q u a k eo rm o d e r a t ee a r t h q u a k e ac o n c l u s i o nc a r lb ed r a w nt h a tt h ef e m o d e la n dt h ep a r a m e t e r sa l er e a s o n a b l ea n dc o n v i n c i b l e k e yw o r d s ：c o n c r e t eh o l l o wb l o c k n u m e r i c a ls i m u l a t i o n e l a s t i c - p l a s t i c t i m eh i s t o r ya n a l y s i s i i 独创- 陛声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得虫国地震屋工程 左堂班塞逝或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫屋垫蕉屋王霆直堂班塞压有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权史国垫蕉屋王程左堂硒塞压可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 导师签名：纽 签字日期：金竺堡! 么! 堡签字日期：型、；- l 孑 午 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 砖石结构在我国及世界各国有着悠久的历史，并取得光辉的成就。早在 两千多年前，我国的砖瓦生产已很发达，因而有“秦砖汉瓦”之称。因此， 砌体结构是我国建筑工程中量大面广的最常用结构形式，其中砖石结构约占 7 0 以上。目前我国实心粘土砖的年产量已达6 0 0 0 亿块，每年破坏土地资源 数十万亩( 在我国平均生产1 亿块砖，需毁农田约1 0 0 亩“”) ，数量十分惊 人“。为了解决粘土砖与农田争地的矛盾，保护生态环境，政府不得不加大 禁用粘土砖的力度。于是有国家经贸委5 5 0 号文件将限时禁止使用实心粘土 砖的城市增加到1 7 0 个城市，到2 0 0 3 年6 月3 0 日，在我国这些城市新建房 屋将全面禁止使用粘土砖。这样寻找粘土砖的替代材料，就成为目前我国 政府大力提倡发展新型墙体材料的主要内容。由于混凝土小型空心砌块具有 节土、节能、利废、强度高、自重轻、利于抗震和施工速度快等优点，在各 种新型墙体材料推广和应用过程中，砌块成为替代粘土砖最有竞争力的墙体 材料，并被国家建材局列为重点发展的产品。 混凝土小型空心砌块和粘土砖相比，具有如下优点“： 1 、节土、节能 和粘土砖相比，砌块建筑的最大优势在于不毁坏耕地和能耗较低，符合 国家技术发展政策，这是砌块结构得以发展的根本前提。 粘土砖采用优质粘土烧结而成，经计算每万块粘土砖需取土毁田 0 0 0 7 、0 0 1 亩，每块小砖仅烧结需9 0 0 k c a l 热量；混凝土砌块包括水泥、成 型和蒸气养护的总耗能，折合成标准砖为4 2 9 k c a l ，其耗能不足粘土砖的 半。 以沈阳为例，现有粘土砖厂3 2 2 个，年产约2 0 亿块粘土砖每年烧砖耗 能约3 0 万吨标准煤，毁田1 4 8 0 亩。如用砌块取代粘土砖，每年可节省1 5 万吨标准煤，1 4 8 2 亩农田。 2 、自重轻、有利于地基处理和抗震 混凝土砌块标准尺寸为3 9 0 x1 9 0x1 9 0 m m ，空心率为4 6 ，重1 8 千克， 相当9 6 块标准砖，砌块墙体自重比2 4 0 和3 7 0 粘土砖墙分别减轻3 0 和5 0 ， 不仅减轻了基础的负载，易于地基的处理，减少施工中的材料运输量也增 大了结构的地震可靠度。 3 、施工速度快 由于砌筑l m 2 的小砌块墙需标准块1 2 5 块，而l m 2 2 4 0 厚砖墙需用t 2 8 块砖，工人砌筑相同面积的小砌块墙时弯腰挂灰的次数将可减少9 0 ，不仅 降低了砌筑的劳动强度，而且可提高砌筑速度3 0 以上。 4 、节省砂浆 中国地震就工程力学研冗所 小型砌块的砌筑灰缝减少，砂浆用量也少。每平方米1 9 0 厚小型砌块墙 的砂浆用量，仅为粘土砖的2 0 3 0 。 5 、增加使用面积 对多层及中高层小型混凝土空心砌块砌体结构可采用1 9 0 厚墙，在同等 建筑面积条件下，可增加有效使用面积3 5 。 6 、保护环境 混凝土空心砌块的生产不需要烧结，还可以利用工业废料，从而有益于 环保，并节约能源，符合节能建筑、绿色建筑、智能建筑的要求。 配筋砌块砌体结构与钢筋混凝土结构相比，也具有一定的优势： 1 、配筋砌体结构比同样规模的混凝土结构，可降低工程造价1 0 2 0 ， 三材用量( 钢筋、水泥、木材) 减少3 0 5 0 ，施工周期缩短1 4 以上。 2 、配筋砌体中存在着许多竖向裂缝，类似在钢筋混凝土剪力墙中设置竖 向裂缝，增加了结构的变形和耗能能力，因而是一种又刚又柔的良好抗震建 筑材料。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 1 9 9 7 年在扬州召开的全国混凝土小型砌块应用技术研讨会之后，小型砌 块应用进入了新的发展阶段，国家建材局将它列为重点发展的产品，各方面 的研究和应用加快了步伐。 i 、在研究方面 北京建筑设计研究院周炳章教授等“”对一幢按i 4 缩尺比例建造的六 层和九层房屋模型进行了水平反复加载静力试验及振动台激振试验，获得了 模型房屋的动力特性和在基础激振作用下的动力反应与倒塌机制。并在以试 验结果建立的房屋模型非线性恢复力模型的基础上，进行了房屋模型的非线 性地震反应计算。研究结果表明：( 1 ) 采用芯柱与构造柱结合的小型混凝土 空心砌块体系在8 度地震区建造九层房屋是完全可行的；( 2 ) 构造柱、芯柱 小型混凝土空心砌块结构体系的抗震性能明显优于仅设芯柱的小型混凝土 空心砌块结构体系。 祝英杰等“”将砌块砌体看作为一种非线性均质正交异性材料，提出破坏 包络曲线，用于预测灰缝的滑移、开裂及压碎类型破坏。提出了一个平面动 荷下混凝土小型空心砌块砌体动力反应的非线性分析模型，并将其导入非线 性分析模型有限元程序，通过动力分析和试验验证，证明了该模型的有效性。 杨德健。”等通过对混凝土空心砌块建筑的构造柱一芯柱构造体系的墙 片抗震性能与仅配芯柱的墙片进行对比试验研究，结果表明采用集中配筋的 构造柱，并适当配置芯柱的混凝土砌块墙体，其抗震性能得到明显提高。 李振威等。1 通过对设置芯柱的混凝土小型空心砌块墙体的低周期反复荷 载试验，研究了不同注芯率对墙体抗震性能的影响。研究表明，设置芯柱能 够减轻砌块的剪切摩擦破坏程度，提高开裂荷载与极限荷载，增加变形能力， 第一章绪论 是改善混凝土小型空心砌块墙体抗震性能的一项有效措施。 2 、应用方面“” 混凝土小型空心砌块在世界上已有百余年历史，6 0 7 0 年代在我国南方 广大城乡才逐步得到推广应用，并取得了显著的社会效益。改革开放以来不 仅在广大乡镇普及而且在一些大中城市迅速推广，由乡镇推向城市；由南方 推向北方；少层推向多层甚至到中高层；从单一功能发展到多功能。 我国在1 9 8 3 、1 9 8 6 年广西南宁即已修建配筋砌块1 0 层住宅楼和l l 层 办公楼试点房屋；1 9 8 8 年辽宁本溪修建了一批8 1 0 层混凝土小型砌块住 宅。 1 9 9 5 年颁布实行的混凝土小型空心砌块建筑技术规程j g j t 1 4 9 5 对全国砌块建筑推广应用起到推动作用。新修订的砌体结构设计规范 g b 5 0 0 0 3 2 0 0 1 中新增加了配筋砌块剪力墙结构的设计方法、计算公式和构造 要求，适应了城市建筑和墙体改革的需要，并使建造中高层乃至高层配筋砌 体结构成为可能。 1 9 9 7 年根据哈尔滨建筑大学、辽宁省建筑科学研究院等单位做的试验， 由中国建筑东北设计院设计，在辽宁盘锦市建成了一栋1 5 层配筋砌块剪力 墙点式住宅楼；特别是1 9 9 8 年上海住宅总公司在上海修建成一拣配筋砌块 剪力墙1 8 层塔楼，这是我国目前最高的高层砌块房屋，而且是建在7 度设 防区，其影响和作用都是比较大的：2 0 0 0 年抚顺建成一栋6 6 m 大开间1 2 层配筋砌块剪力墙板式住宅楼；2 0 0 1 年阿继集团科技园区修建了1 2 层和1 8 层配筋砌块房屋。 1 2 2 国外研究现状 1 、在研究方面 在国外，砌体结构和钢结构、钢筋混凝土结构都得到同样的发展。从 材料、计算理论、设计方法到工程应用都有不少进展。 孟吉( y a l c i nm e n g i ) 等“”在砖砌体结构非线性地震反应分析模型中 提出了有筋及无筋砖砌体三维非线性分析模型。在模型中，假定楼板是刚性 的。对于无筋砌体，假定墙体只在平面内有抗剪能力，而对有筋砌体同时考 虑平面内和出平面的单元刚度。根据振动台试验结果，建立了双线型模量应 变关系及三线型粘性阻尼系数应变关系模型，但假定出平面的弯、剪变形是 弹性的。在地震反应分析中应用了等效线性化法和从试验结果提炼的滞回模 型。结果表明，等效线性化方法既简单又有足够的精度。 勒可克( r o b e r te e n g l e k i r k ) 和哈特( g a r yc h a r t ) ”在混凝 土砌体结构抗震设计中指出，对于外墙，上下相邻楼层的墙体出平面动力反 应的相位是一个关键问题，相邻楼层反向，属低阶振型，容易激发出来，但 是墙跨中的弯矩并不一定大。相邻楼层同向，尽管不易激发出来，但由于墙 体跨中弯矩较大，也是一种危险工况。 欧穆特( y u t a r oo m o t e ) ，梅叶斯( r o n a l dl m a y e s ) ，陈( s h v w e n j c h e n ) 和克拉夫( r a yw c l o u g h ) ”在砌体墙片出平面强度研究文献中 详细介绍了1 9 7 7 年以前有关砌体出平面研究的试验方法，总结了一些出平 面计算的公式。但仅限于一层或两层足尺模型的动力实验或静力出平面( 气 袋加载法) 试验结果。 奔奈德提( d b e n e d t t i ) “”等在2 4 个简单砌体结构振动台试验中介绍 了在意大利和希腊进行的2 4 个l ：2 比例的两层砌体房屋模型( 与原型相同 材料) 的振动台实验结果，比较了各种加固技术的效果，动力参数随破坏程 度增加的变化规律，在这些试验中，附加质量按照7 0 和3 0 的比例分别加 在楼板上和墙上，然而实际砌体结构墙体质量占主要部分。他们认为，由于 模型附加质量与原型的差别将导致基底应力增加1 0 - 1 5 。试验中出现了墙体 出平面破坏的现象。 盂吉( y a l c i nm e n g i ) ，迈克尼文( 删g hd 。m c n i v e n ) 。”在非配筋砌 体墙平面内非线性地震反应的一个数学模型中提出了预测粘土砖墙平面内 菲线性行为的数学模型。该模型包含两类参数方程，一类描述弹塑性应力应 变关系，另一类描述粘性应力与应变速率的关系。 2 、在应用方面 小型砌块是国外应用较广的墙体材料，其经济优势在1 0 2 0 层的住宅 最为明显。由于砌体结构高度受到限制，主要是因为它在水平荷载下抗拉、 剪强度低。国外研究正从以下两个途径来解决，一是使墙体只承受垂直荷载， 而将所有水平荷载由楼梯、电梯间等构成的钢筋混凝土内筒承受：另一途径 是对墙施加预应力。由于无筋砌体的延性较差，当上述钢筋混凝土内筒在承 受水平荷载下产生很大侧移时，无筋砌体是很难承受这样大的顶点位移和层 间相对位移的，因此必须配筋。墙体中配筋常用下列几种形式：在灰缝内水 平配筋：在正常块体中大的块体内或t 形块体砌成的空洞内竖向配筋；水平 和竖向混合配筋；在空心墙内竖向配筋以及在钢筋混凝土梁柱内集中配筋。 近三十年来欧、美许多国家对配筋砌体的研究相当重视，为砌体在高层 建筑中的应用开辟了新的途径。 1 9 7 0 年英国诺丁汉市建成一幢1 4 层高的房屋，内墙2 3 0 m m ，外墙2 7 0 m m 。 多伦多建造的儿层住宅，采用混凝土砌块承重墙，墙厚为1 9 0 m m 和2 4 0 m m ， 在空心砌块的4 0 的空洞内配筋并灌浆。美国是6 0 年代后期才开始建造砌体 墙承重的房屋，引入注目的是，美国、新西兰等国采用配筋砌体在地震区建 造高层房屋，层数一般达1 3 2 0 层。美国7 0 年代在匹兹堡建造一幢配筋建 筑。在美国科罗拉多州丹佛市建成2 0 层高的派克兰姆塔楼，经受了里氏 五级地震的考验；在丹佛市还建造了1 7 层，高度5 0 m ，墙厚2 8 0 m m ，内填钢 筋混凝土的“五月市场”公寓。美国加州帕萨迪纳市的希尔顿饭店为一幢1 3 层高墙混凝土砌块结构，经著名的圣佛南多大地震完好无损，而和它毗邻的 一幢l o 层钢筋混凝土框架结构建筑却遭受严重破坏。在同一次地震中，第 一层为框架结构的0 1 i v ev i e w 医院全部受到破坏，邻近的在房屋一端设有 d - 第一章绪论 配筋砌块剪力墙的电站却完好1 。加州的圣地亚哥、长滩等地用配筋砌体 建造了十六至十八层的公寓，这些建筑也都经受了地震的考验。 1 3 研究意义 砌体的抗拉强度和抗剪强度较抗压强度更低，因而无筋砌体的抗震性能 较差，使砌体结构在应用上受到限制。采用配筋的方法改善砌体结构脆性破 坏的性能增强其抗拉、抗剪的能力和增大其变形能力是行之有效的途径。近 年来，国内外利用小型混凝土空心砌块的竖向孔洞，配置竖向钢筋和水平钢 筋，在灌注芯柱混凝土形成配筋砌块砌体剪力墙修建中高层乃至高层砌块房 屋，但都用1 0 0 注芯。在满足砌块结构的抗震性能的前提下。若采用适量注 芯既经济，节能效果又好。本文在模型振动台试验的基础上，通过对适量注 芯的模型结构的数值模拟，检验模型试验的抗震性能，为砌体结构有限元分 析提供参考。 1 4 本文研究的内容及安排 本文研究的主要内容是通过理论分析与模型试验结果的比较，研究适量 配筋混凝土空心砌块砌体结构的抗震性能。本文共分五部分， 第一章绪论，主要介绍了选题背景及意义： 第二章振动台模型试验，介绍了模型结构的设计、加载制度及破坏机制； 第三章模型结构的弹性数值模拟，建立模型结构的弹性有限元模型，并 将分析结果与试验结果进行比较，为该类结构的理论分析进行初步探索； 第四章模型结构的弹塑性数值模拟，根据试验现象，在弹性有限元模型 中引入非线性单元，对模型进行弹塑性分析： 第五章结语与展望，对全文简要总结，并对下一步研究工作提出设想。 第二章振动台模型试验 2 1 试验目的 混凝土小型空心砌块由于具有避免毁田烧砖、节约能源、施工方便等一 系列技术经济优势，在城乡建筑中的应用越来越广泛，并逐步由多层向中高 层建筑发展。随着建筑高度的增加和在地震区的应用，研究提高混凝土小型 空心砌块砌体抗震性能的有效措施和抗震设计方法，已成为工程中亟待解决 的问题。 本章拟通过中高层小型混凝土空心砌块结构缩尺模型的模拟地震台试 验，考察地震动频谱及地震强度对砌体结构地震反应的影响，了解砌块砌体 结构的抗震性能、地震反应特征和破坏特征，为提出这类结构的抗震计算模 型、抗震设计准则和抗震设计构造要求提出试验依据。 2 2 原型结构简介u m 本次试验选取一1 0 层两开间混凝土小型空心砌块结构为研究对象。结 构开间为6 0 + 6 o m ，进深为1 0 o m ，层高2 ，8 m 。结构位于7 度设防区，构造 措施按现行抗震规范的7 度区要求设置。砌块和砂浆的强度分别为m u i o 和 m 1 0 。砌块的规格是3 9 0 1 9 0 x 1 9 0 衄并配以辅助砌块1 9 0 1 9 0 1 9 0 n f f f l 。 该结构平面适合办公楼或学校等公共建筑。 2 3 模型的设计c m 2 3 ，1 模型相似关系的确定【9 】【2 0 1 为了使试验模型与实际原型之间存在可以确定的唯一的对应关系，并使 相对应的物理量之间存在着常数的比例关系，因此在地震模拟试验中，对试 验模型进行相似设计。只有模型和原型保持相似，才能由模型试验数据和结 果推算出原型的数据和结果，而模型和原型相似的关键在于相似关系的确 定。 l 、人工质量模型和忽略重力模型的相似关系 人工质量模型：对质量在结构空间分布的准确模拟要求不高时，在模型 设计中，通过设置人工质量，补足重力效应和惯性效应的不足，但并不影响 构件的刚度。人工质量模型能适当的模拟全部重力和惯性力效应。 忽略重力模型：某些类型的结构，重力效应引起的应力变程比惯性力效 应产生的应力变程小得多。对于这类结构，在模型设计中，可不考虑重力加 速度的模拟。忽略重力模型不设人工质量，忽略了部分重力效应，在某种程 度上给试验结果带来了误差。 在线弹性范围内，上述两类模型相似要求见表2 1 。 6 一 第二章振动台模型试验 人工质量模型忽略重力模型 物理 量 使用原型材料使用非原型材料 使用原型 使用非原型材料 材料 长度 f ，f ，i ，f ， 弹性模 量 e ，= 1 e e ，= 1， 密度p ，= 1p rp ，。1p ， 应力 盯，= e ，= 1a = e 盯，= e ，= 1d ，= e ， 时间 f 。= t , o 5 r ，= p 5 t ，= ，f ，= p ? 5 e 产5 f ， 变位= f ， ，= ，0 = ，r = l ， 速度 v ，= p 5咋= p 5 v ，= 1 v ，= e o5 尸，5 加速度口= 1 a ，= 1a ，= f j l 口，= e ，p j f ：1 重力加 速度 g ，= 1g ，= 1 频率 0 3 ，= z 产5 ( 1 3r = l 3 0 1 ，= f j 出，= 1 2 1 ? 5 p ；o 5 人工质 坍。= p m ，一m ，t n 口= e , 1 2 , m p - i n ， 量 2 、一致相似律 在地震模拟试验中，人工质量相似律因能同时满足重力和水平惯性力的 相似条件而获得广泛的应用。但是，因振动台承载能力有限，对于大型结构 的缩尺模型或采用较大长度比的模型，其人工质量的设置难以实现。若采用 忽略重力的模型，这试验结果的使用又大受限制。因此在模型设计中，为了 尽可能补足重力效应和惯性效应的不足，在不超过振动台承载力的条件下， 设置尽可能多的人工质量，这就是“欠人工质量模型”。对于欠人工质量模 型的相似关系，中国地震局工程力学研究所张敏政研究员基于b u c k i n g h a m 7 理论，通过建立等效质量密度，得出设置任意数量的附加质量模型的相似关 系，称之为一致相似律，见表2 2 。 表2 - 2一致相似律 i物理量使用原型材料使用非原型材料 l长度 z ， i弹性模量e = le ， 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 - a m m + m d + m o r n 两= m 取m + m + a + 肌m 。，o ) r n 等效密度 ”一p ( + m 。，) 应力盯2 1 盯，= e ， 时间t r = l r 0 ，t ，= ! r ，e , 变位 r ，= z ，= f ， 速度v r = 心埽rv 。= q e ，r 加速度 d ，= 1 ( t ，屏) a r = er q r 芦r 、 频率 ，= , i i ， c o r = q e r ir ir 根据表2 2 中的地震模拟试验一致相似律，选取长度、弹模和密度三个 物理量作为基本的独立变量，得到模型实际采用的相似关系及相似系数见表 2 3 。 袭2 - 3模型实际采用的相似关系 物理量相似系数相似关系相似系数取值 长度 i ， 0 2 5 弹模e e ， 0 3 2 一一 密度 p ，p ， 1 2 8 应力仃五， o 3 2 时间 f r1 0 ，e , 0 5 0 变位 z ， o 2 5 速度v ， er f r 0 5 0 加速度 日 e ，1 ( i ，两) 1 0 l 频率 国 , er 渖r 1 r 2 0 l 附加质量 m e , 1 2 , m p m m 4 1 2 9 蚝( 实加4 0 t ) 从表2 - 3 所示最终采用的相似律可以看出，在给模型附加了4 0 吨人工 质量以后，加速度比为1 0 1 ，与1 0 很接近，这表明，给模型输入的地震波 峰值与实际地震波峰值基本相同；时间比为0 5 0 ，表明实际地震输入数字化 纪录时间间隔、地震波持时都要折减一半：频率b e 为2 0 1 ，表明模型的各阶 模态频率是原型的2 0 1 倍。 2 3 2 模型概况 建筑抗震设计规范( g b j l l 一8 9 ) 规定，混凝土小型空心砌块砌体房 屋的限定层数在6 、7 、8 、9 度地震区分别为7 、6 、5 和不宜采用。但是周 炳章等口】f 6 l 对小型混凝土空心砌块六层和九层砌体房屋模型抗震性能研究表 明，在采取适当抗震措施和满足强度验算的情况下，在8 度区建造六层和九 层小型混凝土空心砌块房屋是可以满足8 度抗震设防要求的。至于在7 度区 8 - 第- - 章振动台模型试验 是否可以建立1 0 层小型混凝土空心砌块砌体房屋呢? 为了研究这一问题的 可行性，并检验构造柱一芯柱承重体系的抗震性能，拟对按1 4 缩尺比例建 造了10 层砌块房屋模型进行振动台地震模拟试验。 2 3 3 模型尺寸 模型平面如图2 1 ，立面如图2 2 。 蟊 1 5 1 51 5 1 5 模型有两个开间： 进深： 层数： 层高： 总高度： 图2 一l 1 5 1 5 m + 1 5 1 5 m 2 5 m l o o 7 m 7 o m 圈2 2 ( 原型为6 o + 6 0 m ) ( 原型为1 0 o m ) ( 原型为2 8 m ) ( 原型为2 8 m ) 2 3 4 模型材料 ( 1 ) 墙体 模型砌筑采用m u 3 5 混凝土小型空心砌块，以双孔砌块为主，单孔砌块 仅用于辅助错缝。 ( 2 ) 砌筑砂浆 模型砌筑砂浆取为m 5 0 ，其配比为： 水泥：砂：改型剂1 号= 1 ：3 5 ：o 3 3 ( 1 5 层)( 按m u 5 0 ) 水泥：砂：改型剂1 号= l ：4 5 ：0 3 3 ( 6 1 0 层) ( 按m u 4 0 ) ( 3 ) 圈粱、构造柱、芯柱 圈梁、构造柱、芯柱混凝土配比( 按m u i o ) ： 水泥：砂：细石子：改性剂1 号= 1 ：2 5 ：5 0 ：o 3 8 ( 4 ) 钢筋混凝土楼板 模型所用的钢筋混凝土楼板：混凝土：c 2 0 ，钢筋：a 3 ，分布筋：由6 1 0 0 楼板尺寸：1 5 2 5 x5 3 0 x 5 0 m 1 1 1 6 0 块( 每层中间) 中园地震局工程力学研究所硕士学位论文 1 5 2 5 4 1 0 5 0 趣4 0 块( 每层四个边上) 2 3 5 模型质量 底板：8 , 2 t 模型质量：1 6 3 0t 人工质量：在混凝土小型空心砌块没有注芯的孔洞中全部注满铁砂，实注铁 砂4 0t ，这样既满足墙体的质量相似，又不影响墙体的强度，从而得到墙体 出平面动力反应的实验结果。 2 3 6 模型构造措施 砌块作为一种墙体材料主要用于多层建筑。我国建筑抗缆设计规范 g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 【2 l 】规定，多层砌块建筑一般只许建筑六层( 8 度抗震设防区) 或七层( 7 度抗震设防区) ，并规定各种措施来提高它的变形能力和延性，使 之达到抗震设防的要求，而本试验中的模型结构层数达到了1 0 层，超出了 规范的层数限定，因此，不能完全按照规范的要求去设计构造措施。在 对试验结构进行构造措施设计对，只能参照规范中对7 层砌体结构所规定的 构造措施以及已经建造完成的试点高层砌体结构的构造措施。 ( 1 ) 构造柱设置 在模型结构的四角、纵横墙交接处各设根构造柱，在三道横墙内各均 设两根构造柱，截面采用5 0 5 0 蕊，构造柱配筋4 3 ，纵筋穿过圈梁的纵 筋并与构造柱钢筋上下贯通，混凝土采用c 1 0 。构造柱详细布置见图2 3 。 i ： i j 1 ， r ll lj! 蠡 il li p - ! ： 一 j ! f 一1 。 1 5 1 5。1 5 1 5 圈悄x 麓柱一青- 槽逢拄 图2 - 3 - 1 0 - 第二章振动台模型试验 ( 2 ) 芯柱设置 为加强砌块砌体结构整体性，以及对砌块墙的边缘加强，在模型结构的 外墙转角、内外墙交接处，也就是地震时受力比较集中的部位，设置芯柱。 芯柱的设置数量决定于不同的设防烈度和房屋的层数、高度以及所在的部位 【lj 。在本试验的模型中，对l 形大角，填实4 个孔；对t 形接头，填实6 个 孔；门洞口两侧各填实1 个孔，注芯率1 9 。芯柱截面3 3 3 7 衄，孔内插1 中3 ，插筋与底板连接，贯穿墙身，贯通楼板与圈梁，并用c i o 混凝土灌实。 芯柱详细布置见图2 - 3 。 ( 3 ) 圈梁设置 在本试验的模型中，层层设现浇圈梁，圈梁连续的设置在同一水平面上， 并形成闭合状。采用横墙承重，楼板在中间横墙处将胡子筋焊接，在两端横 墙处，圈粱采用l 形截面，以确保传力途径的可靠及加强结构的整体性，配 筋4 03 ，c i o 混凝土浇筑。圈梁详图见图2 - 4 。 t j i i 曼 1 i l 1 上 1 - 一 ii ! 硼5 1 由 豳2 4 ( 4 ) 其它 砌筑模型时，在1 5 层隔一皮，6 1 0 层隔两皮布设2 巾1 5 水平拉结筋， 拉结筋搭接长度2 0 d 。 2 4 试验过程及现象分析n m 2 4 1 试验加载制度 本次试验应用n o r t h r i d g e 和e lc e n t r o 地震波，参照i i 类到i 类场地 条件，通过调整时间步长的办法设计了三条地震波，通过调整峰值以满足 设防对应的小震、中震和大震要求，按照x 方向、y 方向交替及双向同时输 入的方式设计台面输入。试验是在中国地震局工程力学研究所5 x5 米三方 向地震模拟振动台上实现的。具体输入计划如表2 - 4 至表2 7 所示。 1 1 表2 - 4 台面峰值口一= 0 0 6 9 时的输入方案 试验编号输入内容激震方向 数据文件名 a o l输入前脉动 n sm 0 1 a 0 2输入前脉动e wm 0 2 a 0 3n o r t h r o ln sg 0 1 a 0 4n o l t h r 0 1e w g 0 2 a 0 5e l c e n t r o 一1n sg 0 3 a 0 6e l c e n t r o 一1e wg 0 4 a 0 7e l c e n t r o 2n sg 0 5 a 0 8e l c e n t r o - 2f wg 0 6 a 0 9e l c e n t r o 1双向g 0 7 表2 - 5 台面峰值口。= 0 1 0 9 的输入方案 试验编号输入内容激震方向数据文件名 a 1 0输入前脉动n sm 0 3 a 1 1输入前脉动e wm 0 4 a 1 2n o r h r 0 1n sg 0 8 a 1 3n o r t h r 0 1e wg 0 9 a 1 4e l c e n t r o - ln sg 1 0 a 1 5e l c e n t r o 1e wg l l a 1 6e l c e n t r o 2n sg 1 2 a 1 7e l c e n 仃o - 2e wg 1 3 a 1 8e l c e n 廿 o 1双向g 1 4 表2 - 6 台面峰值口。2 0 2 0 9 时的输入方案 试验编号输入内容激震方向数据文件名 a 1 9输入前脉动n sm 0 5 a 2 0输入前脉动e wm 0 6 a 2 ln o r t h r o ln sg 1 5 a 2 2n o r t h r 0 1e wg 1 6 a 2 3e l c e n t r o 1n s0 1 7 a 2 4e l c e r t t r o 1e wg 1 8 a 2 5e l c e n t r o - 2n sg 1 9 a 2 6e l c e n t r o - 2e wg 2 0 a 2 7e l c e n t t o 1 双向 1 2 - 第二章振动台模型试验 表2 7 台面峰值口一2 0 3 0 9 时的输入方案 试验编号输入内容激震方向数据文件名 a 2 8输入前脉动n sm 0 7 a 2 9 输入前脉动e wm 0 8 a 3 0n o r t h r 0 1n sg 2 l a 3 1n o r t h r 0 1e wg 2 2 a 3 2e l c e n t r o 1 n sg 2 3 a 3 3e l c e n t r o 1e wg 2 4 a 3 4e l c e n t r o - 2n sg 2 5 a 3 5e l c e n t m - 2e w a 3 6e l c e n t r o 1 双向 | 2 4 2 试验结果统计 本次试验沿x 、y 方向按4 个强度，每个强度4 种波形，分别进行了 1 5 次水平地震输入。各种工况下试验数据统计见表2 8 、表2 - 9 。 - 1 3 - 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 一1 4 - 幅 k 瓤 辎 蓉善 ” 斜 嚼 c ； 蓊瓣爸 雌 磐釜 莲蓑* u8888 g uuuuuuuu nn卜西 2 联 凸88昌8o oo凸凸o凸凸凸 ：| | | 薹董 鬟锝基 nu 1 9qoi n乌 岬叩寸 gq 叶 也 珏 寸托 一心 。noo 测 墓测蒌 88 誉 袜 邑 一 划 捌 蓑蚓仓 景 钾 。 旧啭竖 一 h 一 _ 一 u u uuuuuuuu敞uou on 十i 卜 姐翠轰 o o ooo oo。o。oooo n 【鑫 z 【u h 鑫娶鲻 z山ddz 】 冒 z【口山 o 【口 口 舡螺眯姆辞蝠丑瘿爨厦恹)( 第二章振动台模型试验 1 5 巅 幅 - k 疆 | | | 萋量 帕 瓮 c ； | | | ；基 珏 嚣萎蓍 88菩 具量 o 一一 譬装 吝舀 寸 5uuuuuuuu guu=n寸啦 昌昌o口oq凸凸凸 凸o凸o凸 一 蓑董 o 8器 o “一 一 蓊基 蛔呻 匕鹎 o 寸寸寸叶 媳q鬯啦 堪 。o。 oo 趔 霎薹 88昌 髫 o一 趟 林 瑚 景 萋9 8 d 婶 旧峨篓 uuuuuuuuur , o uuuu o hn寸 n 4 t z 驻蓑 宙曲 h h 蓉 zd 占 z 一 d z _ 鑫鐾爆 z【d 【工 盆 【i 】 “ 凸 盎嫦眯姆辞蛙露萼器翟恹卜 2 5 放大系数和卓越频率 以模型底板的两个方向加速度的最大实测值作为参照标准，将模型结构 各层加速度在同一工况下的实测峰值与底板上相应方向加速度的实测峰值 相比，得到同一工况下模型各层加速度反应的放大系数。如图2 5 、图2 6 。 e p g a ( m s s ) 图2 - 5x 方向台面输入与顶层动力放大系数的关系 e p g a ( m s s ) 图2 - 6y 方向台面输入与顶层动力放大系数的关系 u v a 第二章振动台模型试验 霄 毛 槲 骚 辎 堪 n i - v 糖 曝 辋 蚪 颌输入( m s z ) 图2 7x 方向台面输入与顶层输出卓越频率的关系 缅输入( m s 2 ) 图2 - 8y 方向台面输入与顶层输出卓越频率的关系 从图2 5 、图2 6 中可以看出随着地震动强度的增大，模型顶层的放大 系数并不显著降低，这说明模型在强地震动作用下，尽管出现较多的裂缝和 塑性铰，仍具有良好的抗震能力；还可以看出x 向的放大系数大于y 向的放 大系数，这是由于x 向的卓越频率较y 向的卓越频率更接近于地震动的卓越 - 1 7 - 频率，而引起共振效应的缘故。从图2 5 至图2 8 可以看出，模型的卓越频 率和顶层的放大系数都随着地震动强度的增大而降低，这是由于随着地震动 强度的增大，模型进入塑性程度加深，损伤加剧，刚度降低，阻尼增大，导 致模型卓越频率和各层动力放大系数的减小。 2 6 试验现象分析m ， ( 1 ) 当台面输入加速度峰值口。s 0 0 6 9 时，模型结构完好，结构处于弹 性阶段，符合7 度设防下小震不坏的要求。 ( 2 ) 当台面输入加速度峰值a 。2 0 0 6 9 - o 16 9 时，在模型横墙底部沿灰缝 出现长度小于1 0 厘米，宽度约0 1 毫米的几条水平裂缝，另外在纵墙1 3 层的门洞角上出现几条短而细的裂缝。模型结构进入弱非线性阶段，轻度损 坏。 ( 3 ) 当台面输入加速度峰值口。= 0 1 8 9 o 2 3 9 时，原有裂缝在长度上有扩 展，同时又在上述部位增加部分新的裂缝。在3 1 0 层，门洞角上也出现少 量斜裂缝。除水平方向及门洞口的斜裂缝外，还在3 层以下纵墙上发现沿灰 缝的台阶状斜裂缝。模型结构发生中等程度的破坏。实际上这时的输入强度 已经达到了7 度设防的大震水平，模型结构进入较强的非线性阶段，发生较 严重的破坏，但没有整体或局部倒塌的危险。模型结构完全符合7 度设防下 大震不倒的要求，而且还有较大的富余。 ( 4 ) 当台面输入加速度峰值口。a x - - - - o 2 5 9 - 0 3 0 9 时，原有裂缝加宽、加长， 有些原来相邻的裂缝贯通，此时多数裂缝宽度可达0 3 m m 。当进行n s 方向 e 1 c e n t r o 一2 输入时，机构振动位移很大，宏观上看已经形成了“机构”( 见 图2 一1 1 ) 即以三道横墙为刚性块，门上过梁、圈梁、两皮砌块相当于铰，有 倒塌的危险，所以到此停止了振动试验。 结果表明，该模型的抗震性能是好的，完全满足7 度抗震设防的要求并 有适量的富余，在极限荷载作用下有较强的变形能力，抗倒塌能力较强。同 时考虑裂缝分布形态( 见图2 9 、图2 - 1 0 ) 可以看出，该结构既有砌体结构 的特点，又有混凝土结构的特点。 1 8 第二章振动台模型试验 - 1 9 l 口 ， 。s l 5 r 一一卜一。：一 三3 一 ，一，- - k 一 蓐 喝一 i l 图2 1 0 第二章振动台模型试验 2 7 配筋混凝土砌块砌体连梁的抗震性能 从模型结构在地震作用下的表现可以得出连梁在耗散地震能量方面起 着重要的作用。如图2 1 1 所示，连梁在强震作用下两端出现塑性铰后，使结 构形成了“强墙肢弱连梁”的屈服机制，有利于结构抗震。因此，合理设计 的连梁应能保证联肢“剪力墙”结构体系在遭受强烈地