预制板现浇混凝土叠合层加固砌体教学楼的抗震性能分析

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预制板现浇混凝土叠合层加固砌体教学楼的
抗震性能分析
屈文俊，马瑞嘉，崔巍
(1．同济大学建筑工程系，上海200092；2．东北大学土木与环境工程系，马萨诸塞波土顿MA02115)
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：A
Analysis of Seismic Behavior of M asonry Teaching Buildings Strengthened
by Cast·-in。。place RC Layer on Precast RC Slabs
QU Wen—jun ，MA Rui—jia ，CUI W ei。
(1．Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China
2． Department of Civil and Environmental Engineering，Northeastern University，
Boston M A021 l5，M assachusetts，USA)
Abstract：Considering a great number of buildings collapsed in “5·1 2’’W enchuan Earthquake in
2008，several integrity defects of existing masonry structures and common strengthening methods
were sum marized． A general finite element analysis software ANSYS was used to build an
numerical model of a typical masonry teaching building with precast reinforced concrete (RC)
slabs，and W enchuan earthquake wave was input on this mode1．By applying finite element tim e—
history analysis method， the responses under seism ic waves for masonry teaching buildings
strengthened by cast—in—place RC layer before and after strengthening were analyzed，m oreover，
the structura1 modal，deformation and stress leve1 were mainly compared．The results show that
cast—in—place RC layer will effectively restrain the deformation of walls．thus the accelerations of
cross and longitudinal walls match well。and the deformation and maximum stress of wails are
reduced．This indicates that adding cast—in—place RC layer is an effective method for strengthening
precast RC slabs．
Key words：masonry structure；seismic behavior；finite element analysis；cast—in—place RC layer；
precast RC slab
收稿Et期：2013-06 07
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAJ03A07 04)
作者简介：屈文俊(1958一)，男，河南辉县人，教授，博士研究生导师，工学博士，E mail：quwenjun@online．sh．cn。
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8 建筑科学与工程学报 2013丘
U 引吾
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[1 ]，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作用下垮塌，进而使
整个楼、屋面板倒塌l3]。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 ]。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，如增大窗问墙的截面尺寸，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 ]。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、屋盖的整体性人手。《建筑抗震加固技术规
程》(JGJ 116—98)_1。。中建议的预制楼板的整体性
加固方法是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1。
3 240 3 240 3 24Q 3 240 3 24013 240 3 240 3 240[3 240
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9 l6 ’ ’
(a) 平面
(b) 立囱
图1 教学楼结构平面和立面(单位：mm)
Fig．1 Structural Plane and Elevation of
Teaching Building(Unit：mm)
上海市中小学教学楼大部分是建造于2O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，烧结粘土砖的强度
等级为MUIO。建筑砌体墙厚度为240 mm，承重大
梁尺寸为240 mm×400 mm，大梁下承重柱尺寸为
240 mm×240 mm。空心预制板尺寸为240 mm×
3 000 mm，板间间距为80 mm。空心预制板厚度为
120 mm，按照弯曲模量一致的原则折算成实心预制
板，厚度为114 mm。
结构建模时，忽略窗问墙的作用，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
邡市八角镇地震观测台未经校正的数据，共持时
225 S，步长0．005 S，45 000个点。在不影响加速度
波形的前提下，本文中选取第30～60 S的波进行计
算，步长取为0．02 S，总共1 500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～
60 S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
z方向，把短轴方向(横墙方向)作为方向。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z方向抗侧刚度大于方向抗侧刚度，这