预制板现浇混凝土叠合层加固砌体教学楼抗震性能研究

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1、预制板现浇混凝土叠合层加固砌体教学楼抗震性能研究基金项目：'‘十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAJ03A0704）作者简介：屈文俊（1958）,男，河南辉县人，教授，博士研究生导师，工学博士，Email:quwenjun@online・sh.cno摘要：针对2008年“5・12”汶川地震中砌体结构教学楼大量倒塌这一惨痛教训，总结了实际工程中砌体结构房屋的整体性缺陷以及常用的加固方法；采用通用有限元分析软件ANSYS建立了一个典型砌体结构教学楼（预制多孔板装配式楼盖）的数值模型，施加经修正后的汶川地震波，并利用有限元时程分析方法，分析了使用现浇混凝土

2、叠合层加固前后该砌体结构教学楼在汶川地震波下的响应，重点对比了结构的模态、变形以及应力水平。结果表明：现浇混凝土叠合层可以使墙体的变形得到有效约束，横墙和纵墙的加速度基本一致，墙体变形以及最大应力均得到减小，这说明增设现浇混凝土叠合层是一种有效的加固预制板楼盖的方法。关键词：砌体结构；抗震性能；有限元分析；现浇混凝土叠合层；预制板中图分类号：TU375文献标志码：A0引言2008年“5・12"汶川地震中大量教学楼毁坏倒塌，造成大量学生伤亡，这一惨痛教训使得整个社会对教学楼安全的重视程度提高到一个新的水平。笔者经过对地震现场的实地调查以及查阅相关文献［12］

3、,总结出地震区倒塌的教学楼具有以下典型特点：多为砌体结构，且使用预制板楼盖。对于砌体结构，如何保证结构的整体性和侧向承载力是抗震加固设计的关键。本文中重点研究旨在增加楼板的平面外刚度而增设现浇混凝土叠合层的加固方法对于房屋抗震性能的影响。1现有砌体结构教学楼抗震性能分析在地震中建造年代比较早的砌体结构教学楼大都采用预制板装配式楼盖，空心预制板直接搭在承重墙体或大梁上，使得空心预制板的整体性、平面外刚度不足，地震时作用于楼、屋面板上的水平剪力无法传递至附近的抗震横墙，只能依靠窗间墙及其大梁下的扶壁柱承受地震力，产生较大变形后，使窗间墙或扶壁柱在偏心较大的重力

4、作用下垮塌，进而使整个楼、屋面板倒塌［3］。同时，楼、屋盖的平面外刚度不足还会影响到抗震设计中地震作用的分配，同样会影响到砌体结构的静力计算方案［4］。因此，对于砌体结构，楼、屋盖的平面外刚度对房屋的整体受力性能有重要影响。针对这种地震破坏现象，中国学者提出了多种加固方法，如增大窗间墙的截面尺寸，提高窗间墙的承载力，改善窗间墙的延性等，但这些方法并没有从本质上改进砌体结构的整体抗震性能［59］。为了使抗震横墙在地震中承担大部分地震力，应从提高装配式楼、屋盖的整体性入手。《建筑抗震加固技术规程》(JGJ116-98)［10］中建议的预制楼板的整体性加固方法是

5、增设钢筋混凝土现浇层或增设托梁，其中增设托梁的方法由于施工技术复杂、经济资源花费较大等原因，极少在实际工程中采用。目前，大多数实际工程中多采用的加固方法是增设现浇混凝土叠合层。本文中以典型砌体结构教学楼为研究对象，采用通用有限元软件ANSYS分析现浇混凝土叠合层对砌体结构房屋抗震性能的影响。2抗震性能有限元分析2.1模型概况本文中以上海市中小学教学楼抗震鉴定加固项目为依托，建立一个典型砌体结构教学楼有限元模型，教学楼结构平面和立面见图lo上海市中小学教学楼大部分是建造于20世纪七八十年代的砌体结构，混凝土强度等级为C20,砂浆强度等级检测评定为M2.0,烧

6、结粘土砖的强度等级为MUlOo建筑砌体墙厚度为240mm,承重大梁尺寸为240mmX400nun,大梁下承重柱尺寸为240mmX240mmo空心预制板尺寸为240mmX3000mm,板间间距为80mm。空心预制板厚度为120mm,按照弯曲模量一致的原则折算成实心预制板，厚度为114mnio结构建模时，忽略窗间墙的作用，采用实体单元模拟砌体材料，壳单元模拟预制板结构。结构所输入的地震波由国家强震动台网中心提供，为四川什郝市八角镇地震观测台未经校正的数据，共持时225s,步长0.005s,45000个点。在不影响加速度波形的前提下，本文中选取第30〜60s的波

7、进行计算，步长取为0.02s,总共1500个计算点。根据文献［11］中推荐的加速度校正方法，本文中对第30〜60s的加速度波进行了校正。2.2加固前的结构有限元分析本文中把房屋结构的长轴方向（纵墙方向）作为x方向,把短轴方向（横墙方向）作为y方向。表1为加固前砌体结构教学楼的前6阶模态。由表1可以看出，结构第1振型表现为y方向的一阶平动，说明x方向抗侧刚度大于y方向抗侧刚度，这是由于x方向的横墙较大，而y方向纵墙由于门窗洞口的影响，抗侧刚度较小。图2〜11为结构加固前的试验数据。从图2,3可以看出：教学楼顶层在汶川地震波作用下的y方向最大位移为49.1mm

8、，墙体倾斜率为0.271%,低于《危险房屋鉴定标准》（JGJ125