村镇低层建筑新型装配式砌体结构抗震性能研究

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实施乡村振兴战略,是党中央十九大报告中提出的重大决策部署。作为村镇现存主流结构形式的砌体结构,受历史、技术、社会管理和经济等多方面因素的综合影响,一般多为无专业设计、无专业施工、依照习惯经验自行建造的低层建筑。这类建筑正常使用期间尚能满足要求,一旦遭遇地震或其他灾害则极易出现损毁现象,造成人员伤亡和巨大的财产损失。与此同时,以混凝土小型空心砌块为基材的配筋砌块砌体剪力墙结构经过多年的理论分析、试验研究和工程应用,已成为现代砌体结构新的发展方向。随着建筑工业化、产业化的发展推进,实现非原位砌筑装配式配筋砌块砌体剪力墙结构得到发展和应用,进一步体现出配筋砌块砌体剪力墙结构的理论意义和工程价值。目前,村镇低层砌体结构地震损毁的现象仍然普遍存在,从损毁角度对结构性能和损伤机理研究仍不够深入,未能提出更适用于村镇建设、更符合村镇特点的新型结构体系,助力乡村振兴。本文立足于村镇建设需求,基于实现村镇防灾减灾目标,采用震损资料分析、拟静力试验和有限元分析等研究方法,分析了村镇低层建筑中竖向承重墙的震损机理,提出了适宜于村镇低层建筑的新型装配式砌体结构体系,并进行了系统研究。主要研究工作包括:(1)归纳整理了多次地震村镇低层砌体结构中竖向承重墙的震损资料,总结了该类墙体的易损部位及其破坏特征,在普遍认为房屋地震损毁是结构整体性不足的共识下,对村镇低层砌体结构中竖向承重墙的震损机理开展了进一步分析。综合考虑建筑质量、地震剪力、构件承载力、构件稳定性等几方面因素和单层砌体结构有限元模型计算结果,分析得到了村镇低层砌体结构中竖向承重无筋砌体墙在地震剪力不大的前提下,由于正应力不足而发生平面内损毁,由于连接构造失效和稳定性较差而发生平面外倒塌的震损机理,为有针对性提出适用于村镇建设的新型装配式砌体结构体系奠定技术理论基础。(2)针对村镇低层砌体结构竖向承重墙的震损机理特点、发展需要和目标需求,提出了结合装配式技术的预应力配筋砌块砌体墙结构体系,该方案通过对墙体施加轴向预应力增加其所受的竖向压应力,从而提高墙体的在平面抗震性能;通过竖向承重墙与填充墙的刚柔连接性能一体化设计,在保证结构正常使用阶段性能的前提下设置地震作用下的破坏区域,实现改善承重墙与填充墙在地震受力过程中协同工作性能的目的。(3)为研究竖向承重结构体系的抗震性能,设计完成了8个试件试验,其中包含4个装配式连肢配筋砌块砌体承重墙拟静力试验和4个连肢配筋砌块砌体承重墙与填充一体化墙体拟静力试验,研究比较了预应力、承重结构截面形状和填充墙对竖向承重结构体系抗震性能的影响。研究结果表明,在破坏形态不变的前提下,预应力提高了试件的初始刚度和峰值承载力;翼缘的存在提高了试件的初始刚度和峰值承载力,改变了试件的破坏形态;实现了填充墙在试验加载前期参与整体抗侧力工作,提高了试件的初始刚度和峰值承载力,在试件过峰值承载力后,由于预设区域破坏而实现填充墙与承重结构分离,在保护填充墙的同时降低填充墙对承重结构影响的设计目标,得到了期望的破坏状态。(4)在试验研究基础上,开展了力学模型分析和有限元模拟分析工作,对新型装配式砌体结构抗震性能进行了研究。研究结果表明,考虑灌芯砌块砌体材料受压特点的软化拉压杆模型可有效预测剪跨比小于2.0的配筋砌块砌体剪力墙受剪承载力;建立了考虑界面模型的新型装配式砌体结构精细化有限元模型,通过与本文试验结果对比验证了有限元模型的合理性;竖向压应力的增加提高了新型装配式砌体墙体的峰值承载力和初始刚度,而填充块受压强度的变化对其峰值承载力影响较小。结合本文完成的试验和数值模型研究工作,给出了新型装配式砌体结构设计、施工与构造措施的初步建议。
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