新型填充墻材料對(duì)框架的抗震影響

王紅紅 劉 兵 楊有山

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010； 2.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

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新型填充墻材料對(duì)框架的抗震影響

王紅紅1劉 兵1楊有山2

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010； 2.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

重點(diǎn)研究砌體填充墻砌塊類型對(duì)框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，砌塊類型包括混凝土空心砌塊、空心砌塊和實(shí)心粘土磚三種，通過數(shù)值模擬對(duì)它們的自振周期、最大水平位移、層間剪力對(duì)比，研究了不同材料對(duì)框架的抗震影響。

填充墻，框架結(jié)構(gòu)，自振周期

為了維持自然生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)目前正在建筑業(yè)中大力推廣墻體材料改革政策。目前在框架結(jié)構(gòu)中推廣的新型墻體一般均具有輕質(zhì)和自保溫的特點(diǎn)。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來講，新型輕質(zhì)墻體可以有效減輕荷載，從而也可降低結(jié)構(gòu)造價(jià)。以前在框架結(jié)構(gòu)和框—剪力墻結(jié)構(gòu)中普遍使用實(shí)心粘土磚填充墻，現(xiàn)在正逐步被一些新型砌體材料(包括混凝土空心砌塊、空心砌塊、加氣混凝土砌塊等)所取代。因此,在目前基于抗震性能設(shè)計(jì)理論背景，對(duì)于新型填充墻材料的研究是很有必要的。

1 模型參數(shù)

本文模擬主要目的是研究在水平地震荷載下，不同填充墻材料對(duì)框架的抗震影響。

本文采用9層三跨結(jié)構(gòu)，X方向?yàn)?.6 m，Y方向?yàn)? m，2.7 m，6 m，模型一層的高度為4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層的高度為3.6 m，柱子為C40混凝土，梁采用C30混凝土。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)中柱子為500 mm×500 mm，梁為300 mm×600 mm。地震波采用El-Centro，填充墻參數(shù)見表1。

表1 填充墻材料參數(shù)

利用Midas Gen軟件，分析對(duì)比三種不同材料填充墻對(duì)框架的抗震影響。建立模型如表2所示。

表2 模型建立表

2 數(shù)值模擬下自振周期對(duì)比

2.1 自振周期的計(jì)算方法

填充墻框架結(jié)構(gòu)的自振周期可以按以下公式計(jì)算:

其中，H為房屋總高度；B為總寬度。

2.2 模態(tài)分析——自振周期

根據(jù)上述三種填充墻材料計(jì)算出結(jié)構(gòu)整體自振周期見圖1。

1)從圖1中可以看出當(dāng)框架結(jié)構(gòu)加入填充墻時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振周期有了很大的變化，說明填充墻對(duì)整體結(jié)構(gòu)的自振周期影響是不能夠忽視的，當(dāng)填充墻加入時(shí)，可以看出結(jié)構(gòu)的自振周期明顯降低，通過模型2，3，4與模型1的自振周期進(jìn)行比較可以得出。

2)比較模型1，2，3，4可以看出，三種材料的周期變化規(guī)律基本上是一致的，但是不同材料的填充墻因其本身的彈性模量、容重、剛度的不同，對(duì)結(jié)構(gòu)整體的周期影響也不同，混凝土空心砌塊對(duì)結(jié)構(gòu)周期的折減最大，空心砌塊對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期影響最小，這些從圖1中可以直接看出。自振周期：空心砌塊>粘土磚>混凝土空心砌塊。

3 數(shù)值模擬下最大水平位移對(duì)比

3.1 位移計(jì)算方法

對(duì)不同形式的荷載,框架柱軸力引起的頂點(diǎn)側(cè)移計(jì)算公式如下:

其中，V0為結(jié)構(gòu)底部剪力；F(b)為與b有關(guān)的水平荷載函數(shù)。

3.2 反應(yīng)譜分析——水平位移

在圖2中，我們通過模型1，2，3，4的對(duì)比可以知道，當(dāng)填充墻材料不同時(shí)對(duì)模型的層最大水平位移的影響也是不同的，說明填充墻的材料參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的層最大水平位移有著很大的影響，結(jié)構(gòu)底部對(duì)位移減小效果不明顯，但是隨著樓層的增高，與空框架的位移差距就比較明顯，其中填充墻為混凝土空心砌塊時(shí)，對(duì)最大層位移的影響最大。層最大水平位移：空心砌塊>粘土磚>混凝土空心砌塊。

4 數(shù)值模擬下層間剪力對(duì)比

4.1 反應(yīng)譜分析——層間剪力

從圖3中可以看出，比較模型2，3，4與空框架模型，當(dāng)填充墻與框架共同作用時(shí)，比空框架的層間剪力大得多，而且當(dāng)填充墻材料不同時(shí)對(duì)框架的層間剪力影響也不一樣，而且我們?cè)趫D中可以清楚的看到，隨著結(jié)構(gòu)樓層的增高，樓層的層間剪力隨之降低，也就是底層的層間剪力最大，頂層的層間剪力最小。層間剪力：混凝土空心砌塊>空心砌塊>粘土磚。

4.2 時(shí)程分析——層間剪力

從圖4中可以看到，當(dāng)結(jié)構(gòu)模型在時(shí)程分析計(jì)算方法下進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，填充墻材料的不同所建立的模型2，3，4與空框架模型1進(jìn)行比較，當(dāng)填充墻與框架結(jié)構(gòu)共同作用時(shí)，也就是在計(jì)算的時(shí)候考慮填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度影響，比空框架的層間剪力要大得多，而且隨著樓層的降低，層間剪力增加的幅度也有著明顯的增大。層間剪力：混凝土空心砌塊>空心砌塊>粘土磚。這個(gè)結(jié)果與結(jié)構(gòu)在反應(yīng)譜分析的方法下計(jì)算出的結(jié)果是一樣的，因此結(jié)構(gòu)的層間剪力走向與計(jì)算方法無(wú)關(guān)，而只與填充墻材料的不同有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析、時(shí)程分析對(duì)比相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行研究不同材料的填充墻、填充墻位置對(duì)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能影響。通過比較自振周期、最大層位移、層剪力這些抗震參數(shù)指標(biāo)來分析這幾種模型的抗震性能。通過反應(yīng)譜分析研究框架結(jié)構(gòu)的最大層位移、樓層剪力在不同材料填充墻的結(jié)果有何不同，并分析各模型在不同材料時(shí)對(duì)框架的影響，進(jìn)行對(duì)比分析。最后利用時(shí)程分析對(duì)不同材料填充墻層間剪力的補(bǔ)充說明，并與反應(yīng)譜分析下的結(jié)果進(jìn)行比較，看它們的結(jié)果變化規(guī)律是否相同。通過對(duì)結(jié)構(gòu)自振周期模擬分析，不同材料填充墻因?yàn)樽陨韽椥阅Ａ俊偠取⑷葜氐葏?shù)不同對(duì)結(jié)構(gòu)的自振周期影響不同，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的樓層剪力模擬分析，不同材料填充墻因?yàn)樽陨韽椥阅Ａ俊偠取⑷葜氐葏?shù)不同對(duì)結(jié)構(gòu)的層間剪力影響也是不同的。

[1]B.Stafford.Smith. Behavior of Square Infilled Frames. Journal of the Structural Division. Proceedings of American Society of Civil Engineers,1966，92(ST1):56-70.

[2]北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司.Midas Gen工程應(yīng)用指南.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]劉鳳誼,王金鳳.填充墻對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響.山西建筑,2007,33(9):93-94.

[4]韓 西,鐘 厲,李 博.有限元分析在結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算機(jī)仿真的應(yīng)用.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2001(20):11.

The seismic effect of the new type masonry infilled wall of framework

Wang Honghong1Liu Bing1Yang Youshan2

(1.SouthwestUniversityofScienceandTechnology,InstituteofCivilEngineeringandArchitecture,Mianyang621010,China; 2.YibinVocationalandTechnicalCollege,Yibin644003,China)

This article focuses on masonry infilled wall block type of frame structure seismic performance influence. Block types including concrete hollow block, hollow blocks and solid clay brick 3 kinds. By numerical simulation for their natural cycles, the maximum horizontal displacement and interlaminar shear contrast, seismic impact on the framework to study different materials.

filler wall, frame structure, natural cycle

1009-6825(2015)18-0025-02

2015-04-15

王紅紅(1988- )，女，在讀碩士

TU375.4

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