第 1 章  緒論 

在我國，砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史比較悠久，據(jù)史料記載，砌體結(jié)構(gòu)已有 2000 多年的歷史[1][2][3]，被廣泛用在各種建筑物以及構(gòu)筑物中。砌體結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點，但力學性能上表現(xiàn)為砌體的抗拉彎剪的強度都較低，其他方面的缺點包括自重大，構(gòu)件截面尺寸大，材料用量多，這樣就造成了在地震作用下容易發(fā)生嚴重破壞，所以人們嘗試研究將預應力技術(shù)與砌體結(jié)合，組成預應力砌體結(jié)構(gòu)[4]。最近這些年，這種新型建筑結(jié)構(gòu)具有很大的發(fā)展?jié)摿�，作為土木工程界普遍關(guān)注的熱點之一，對預應力砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究分析，體現(xiàn)出重要的工程應用價值，并且有較強的理論意義  [5]。本章主要參照國內(nèi)外關(guān)于預應力砌體的文獻，借鑒前輩們的研究成果，然后明確了本文研究的方向和內(nèi)容。 

1.1  前言  
砌體結(jié)構(gòu)，俗稱磚石結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要是以墻體或柱作為豎向承重構(gòu)件，結(jié)構(gòu)材料由塊體和粘結(jié)漿體組成，常見的塊體有不同材質(zhì)的砌塊、磚塊和天然石材，粘結(jié)材料有砂漿等  [6]。現(xiàn)在的建筑結(jié)構(gòu)主體主要是鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，砌體結(jié)構(gòu)和它們一樣，也是比較流行的主體結(jié)構(gòu)之一。 砌體結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點： （1）在建設地區(qū)很容易能找到相應材料，并且價格比價便宜，可選材料多種多樣，比如：磚塊、天然的石塊、礦渣砌塊等。 （2）磚、石以及砌塊砌體在明火燃燒的時候依舊能保持材性不變，并且使用長久，不會輕易受損破壞。 （3）在砌體施工時，對施工條件要求不高，常用的施工機具能滿足施工要求，同時，施工不受季節(jié)影響，寒冷地區(qū)也可正常施工，對保溫的要求也不高。 （4）砌體結(jié)構(gòu)墻體隔熱和保溫能力比較強，同時墻體可以作為承重構(gòu)件，也可以作為圍護構(gòu)件，體現(xiàn)出多功能的性質(zhì)。 但同時砌體結(jié)構(gòu)也存在很多缺點，尤其是在受力性能方面，砌體結(jié)構(gòu)有較高的抗壓承載力，但抗拉、壓、彎的強度相對比較低，比如砌體抗壓強度平均值是其在受彎時的彎曲抗拉強度平均值的 20 倍。另外，砌體結(jié)構(gòu)的自重大，生產(chǎn)過程復雜，不符合環(huán)境保護的要求，更重要的是和框架結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比較，抗震性能比較差，所以在未來的推廣和應用上有一定的局限性。 
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1.2  國內(nèi)砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和未來發(fā)展方向
在我國砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史比較悠久，據(jù)史料記載，砌體結(jié)構(gòu)已有 2000 多年的歷史，被廣泛用在各種建筑物以及構(gòu)筑物中。包括聞名于世的萬里長城，水利工程的代表作之一都江堰以及很多年代久遠的石拱橋，磚塔，城墻等。一直到現(xiàn)代，砌體結(jié)構(gòu)仍作為最主要的承重結(jié)構(gòu)之一被廣泛應用在各種建筑及構(gòu)筑物，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成砌體的材料也在慢慢轉(zhuǎn)變，由普通的磚石轉(zhuǎn)變?yōu)樾屡d的環(huán)保的礦渣、粉煤灰、混凝土等材料，尤其是輕質(zhì)高強由各種工業(yè)礦渣生產(chǎn)的砌塊最為推崇。與此同時，砌體結(jié)構(gòu)類型也在改變，出現(xiàn)了配筋砌體、組合砌體、預應力砌體等結(jié)構(gòu)類型，這樣也為砌體的應用條件和范圍擴展了道路[7]。 地震災害通常被認為最為嚴重的自然災害[8]之一，環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶是著名的地震帶，不巧的是在我國境內(nèi)兩條地震帶均有分布，這就決定了國家的地震災害比較頻繁嚴重，并且地震災害多發(fā)。根據(jù)資料數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，我國每個省份基本上都發(fā)生過六級以上的地震，發(fā)生過七級地震的省份超過了百分之六十[9]。其中發(fā)生里氏 8.0以上的大地震大約有 18 次[10]。近年來，地震災害在我國頻繁發(fā)生，包括 1966 年邢臺大地震、1976 年唐山大地震、2008 年汶川大地震和 2010 年青海玉樹地震，這些地震災害不僅危害國家人民財產(chǎn)和人民生命安全，而且還嚴重影響與制約國家經(jīng)濟的發(fā)展。尤其是最近發(fā)生的汶川地震與玉樹地震，讓人民經(jīng)歷了不可磨滅的慘痛，沉重打擊了每一個中國人。 由于砌體結(jié)構(gòu)抗拉強度低且自重較大，因此地震反應很大，砌體材料不可能通過加大變形來減小地震作用，或者依靠材料的延性來吸收地震反應的能量對于砌體材料來說是不可能的[11]，因此砌體結(jié)構(gòu)抗震性能很差。 新中國成立后，社會經(jīng)濟條件落后，砌體結(jié)構(gòu)房屋成為我國農(nóng)村和城市一些地區(qū)的主要房屋類型，滿足了當時我國廣大城鎮(zhèn)居民對住宅的使用要求。但是這一時期的房屋不能滿足現(xiàn)在的抗震要求，是由砌體結(jié)構(gòu)自身的缺陷以及當時社會現(xiàn)狀設計水平制約造成的，所以已建老舊砌體結(jié)構(gòu)房屋嚴重威脅著居民的安全。通過對歷次災害的分析得知砌體房屋破壞較嚴重，沿著灰縫的交叉斜裂縫與水平通縫是房屋主要的破壞形式。 
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第 2 章  預應力扣壓穿合式砌體墻試驗設計方案 

2.1  引言 
扣壓穿合式砌塊，也稱榫卯空心砌塊，砌塊磚的底面設有凹槽，磚頂面設有卡凸塊，砌塊上下扣合，咬合緊湊，貫穿固定成一體。這種新型砌塊相較于普通砌塊強度高，耐沖擊力強。由榫卯空心砌塊組成的榫卯式結(jié)構(gòu)（也稱扣壓穿合式砌體結(jié)構(gòu)），能夠限制砌塊移動，使砌塊結(jié)合緊密。砌塊預留空腔添加混凝土芯柱或預應力，有效增強建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗震等級，，可廣泛適用于 7 層以下民用住宅、別墅、工業(yè)廠房的建設。 本試驗包括6片實體墻體構(gòu)件。通過對墻體施加水平低周反復荷載，得出墻體在不同工況即有無芯柱有砂漿、無芯柱無砂漿及不同預應力施加狀況下的非線性靜力特性，包括破壞過程和破壞形態(tài)、開裂荷載、極限荷載、開裂位移、極限位移、滯回曲線和骨架曲線、延性、剛度退化性能、耗能性能等抗震性能指標，研究豎向預應力筋的最合適的應力比以及為這種新型結(jié)構(gòu)未來的推廣應用打下理論基礎(chǔ)。 
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2.2  試件設計
為與有芯柱的墻體對比，本文重點研究以不同預應力筋軸壓比和有無砂漿層為基本變化參數(shù)的無芯柱墻體的抗震性能。結(jié)通過參考相關(guān)規(guī)范、論文、專著，  400  200  122 MU15 M15 C40C40 HRB400 HPB23確定試件主要材料如下：1）砌塊為 混凝土榫卯空心砌磚，抗壓強度為 ；2）砂漿為 混合砂漿；3）壓頂梁選為 細石混凝土；4）底梁選為 細石混凝土；5）梁內(nèi)縱筋為 ，箍筋為 ；6）預應力鋼筋采用15.2 鋼絞線（極限抗拉強度為 1860MPa）。本試驗共制作了 6 片不同工況的墻體構(gòu)件見表 2-1。其中 W1 是無預應力有芯柱有砂漿墻體，W2 是軸壓比為 0.2 的有預應力無芯柱有砂漿墻體，W3 是軸壓比為 0.3 的有預應力無芯柱有砂漿墻體，W4 是軸壓比為 0.4 的有預應力無芯柱有砂漿墻體，W5 是軸壓比為 0.5 的有預應力無芯柱有砂漿墻體，W6 是軸壓比為 0.5 的有預應力無芯柱無砂漿墻體。墻體尺寸統(tǒng)一，墻寬為 3.6m，高為 2.8m，厚 0.2m。墻體具體尺寸及配筋見圖 2-1~圖 2-3。 
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第 3 章  預應力扣壓穿合式砌體墻的試驗結(jié)果分析 ......... 17 
3.1  材料性能 ..... 17
3.2  試驗現(xiàn)象描述 ......... 21 
3.3  荷載-位移滯回曲線 ...... 24 
3.4  骨架曲線 ..... 26 
3.5  剛度退化曲線 ......... 28 
3.6  耗能性能 ..... 29 
3.7  本章小結(jié) ..... 30
第 4 章   扣壓穿合式砌體房屋彈塑性動力時程分析 ....... 32 
4.1  引言 ....... 32 
4.2  有限元軟件 ANSYS 簡介 ........ 32 
4.3  扣壓穿合式砌體房屋有限元模型的建立 ....... 32 
4.3.1  單元的選擇與材料性能 .... 32 
4.3.2  有限元模型的建立與網(wǎng)格劃分 .... 34 
4.3.3  邊界條件的處理及地震荷載的施加 ........ 38 
4.4  模態(tài)參數(shù)分析 ......... 41
4.5  地震響應的時程分析和云圖分析 ....... 46
4.6  本章小結(jié) ..... 63 

第 4 章   扣壓穿合式砌體房屋彈塑性動力時程分析 

4.1  引言

現(xiàn)代科研人員與學者以數(shù)學與力學為基礎(chǔ)利用 ANSYS 有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬分析，這種利用計算機軟件對工程進行模擬也成為現(xiàn)代分析方法的重要手段之一，是現(xiàn)代建筑仿真發(fā)展的主要原因之一。目前在建筑工程中常用的數(shù)值模擬手段主要離散元、有邊元、有限差分、邊界元法等，其中有限單元法是應用最為廣泛的方法。目前，盡管不少學者建立了砌體房屋的非線性有限元分析模型，但由于涉及到非線性問題，導致結(jié)構(gòu)的計算很復雜、迭代過程存在墻體開裂的各類收斂問題，導致能夠在實際中很難推廣應用。  本章采用 ANSYS 軟件來模擬三維扣壓穿合式砌體房屋的地震反應分析，利用ANSYS 的動力學功能，依據(jù)結(jié)構(gòu)材料強度，進行建模、加載和地震分析。通過對空心砌體結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，深入分析其動力特征及地震反應，研究其抗震性能，研究預應力扣壓穿合式砌體房屋和非預應力扣壓穿合式砌體房屋結(jié)構(gòu)在地震中的響應，比較兩種扣壓穿合式砌體房屋的動力性能。大型數(shù)值模擬軟件 ANSYS 是美國 ANSYS 公司精心開發(fā)的一款大型通用有限元數(shù)值仿真分析軟件，目前 ANSYS 功能非常強大，已經(jīng)被應用到各個領(lǐng)域中如橋梁、隧道、房屋建筑工程、機械工業(yè)、航天國防、生物醫(yī)學、電子、熱聲科學等各個領(lǐng)域。目前ANSYS 已經(jīng)成為是大多數(shù)學者和研發(fā)人員的科研工具。目前廣泛應用在。 軟件核心主要分析類型包括：結(jié)構(gòu)靜力、動力學、非線性處理、熱、電磁場、流體動力學、聲場、壓電等分析。在使用方面，ANSYS 主要包括了三個模塊：前處理模塊、計算模塊和后處理模塊。前處理模塊主要進行的是前期建模工作，選擇結(jié)構(gòu)單元、材料性質(zhì)設置、2D、3D 建模和網(wǎng)格劃分的工作。計算模塊主要解決模型各種力與位移約束、荷載的施加、非線性的設置，以及選擇計算處理器，進而完成各類別的計算處理功能。后處理模塊主要對所構(gòu)建的模型進行數(shù)據(jù)分析與提取，如應力、應變、位移、振型、頻率等，能夠得到不同時間應力應變圖時程曲線等。 

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結(jié)論 

本文進行了扣壓穿合式砌體墻構(gòu)件的抗震試驗研究，在試驗研究的基礎(chǔ)上，以北京市順義區(qū)馬坡鎮(zhèn)政府改建樣板工程為原型，運用 ANSYS 有限元分析軟件進行建模，對預應力扣壓穿合式砌體房屋與非預應力扣壓穿合式砌體房屋進行抗震動力性能數(shù)值研究，得出如下結(jié)論： 
（1）在墻體的抗剪承載力方面，預應力扣壓穿合式空心砌體強構(gòu)件比同狀態(tài)下而未施加預應力的墻體有大幅提高。隨著預應力的增加，墻體開裂荷載提高幅度不明顯，但抗剪承載力有明顯的提高。 
（2）在裂縫發(fā)展和破壞特征方面，未加預應力普通墻體上細微分布裂縫數(shù)量比較少，有明顯的主裂縫，出現(xiàn)特征較為明顯的脆性破壞。在施加預應力的墻體上出現(xiàn)較多的裂縫，這些裂縫分布較密且裂縫寬度較小，表現(xiàn)出比較明顯的延性破壞特征，并且裂縫在卸載后能重新閉合,墻體表現(xiàn)出較好的整體性，裂而不散，抗倒塌性能較強。 
（3）在耗能性能方面，預應力扣壓穿合式空心砌體墻構(gòu)件比同狀態(tài)下而未施加預應力的墻體有所提高，提高幅度約為 2~3 倍，5 片墻體的初始剛度均較大，剛度退化過程與趨勢基本一致，當墻體出現(xiàn)裂縫后均出現(xiàn)較為迅速的剛度退化。 
（4）對比無預應力模型與有預應力模型的模態(tài)參數(shù)，觀察前三階振型對比圖可發(fā)現(xiàn)，兩種模型的前三階振型變形，無論 x 方向，還是 y 方向的變形趨勢均一致。兩種模型自振頻率變化較小，表明預應力不影響結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。 
（5）當結(jié)構(gòu)在 8 度大震 400 gal 的地震波作用下，模型 I（無預應力）與模型 II（有預應力）的地震響應不相同。當結(jié)構(gòu)處于彈性階段時，各樓層頂部有預應力結(jié)構(gòu)的位移比無預應力結(jié)構(gòu)的位移值差別不大，但有預應力的結(jié)構(gòu)的整體性比無預應力的結(jié)構(gòu)的要稍大；有預應力結(jié)構(gòu)的剪力比無預應力結(jié)構(gòu)的剪力響應要大 2107%；各樓層頂部有預應力結(jié)構(gòu)的速度比無預應力結(jié)構(gòu)的速度響應要大 645%、669%、700%；各樓層頂部有預應力結(jié)構(gòu)的加速度比無預應力結(jié)構(gòu)的加速度響應要大 369%、671%、266%。無預應力結(jié)構(gòu)隨著樓層高度的增加，結(jié)構(gòu)的位移、速度及加速度呈增大的趨勢。有預應力結(jié)構(gòu)隨著樓層高度的增加，結(jié)構(gòu)的位移呈增大的趨勢、速度及加速度呈減小的趨勢。
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參考文獻(略)  

本文編號：150121