第33卷第6期 2011年12月 工程抗震与加固改造 Vo1.33,No.6 Dcc.2O11 Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting [文章编号] 1002—8412(2011)06-0116-05 钢筋网水泥础浆加固砖墙硇抗侧承载力illn ltg度计算 王满生,刘 辉(北京市房地产科学技术研究所,北京100021) [摘 要] 北京市农村住宅抗震加固试验中采用了钢筋网水泥砂浆加固砖墙方案。为了解决农村住宅加固墙体的非线性计 算力学模型,本文根据钢筋网水泥砂浆加固的单片墙的低周反复荷载试验的文献数据,探讨了针对农村住宅砖墙加固后的退 化三线性恢复力特性曲线,提出了钢筋网水泥砂浆加固砖墙分别考虑剪切变形和弯剪变形影响下的抗侧力刚度计算方法。 同时分别给出了墙体的初裂承载能力和极限承载能力计算公式,并通过对比试验数据和利用上述公式计算出的数据,验证墙 体利用这些公式来估算抗侧承载力和抗侧刚度的可行性,为北京市农村加固砖墙住宅的非线性地震反应分析的有限元模拟 提供砖墙的力学模型。 [关键词] 砖砌体墙;钢筋网水泥砂浆加固;抗侧承载力;抗侧刚度;低周反复荷载试验 [中图分类号]TU362 [文献标识码] A Computation of Resistance to Lateral Load and Lateral Stiffness about Brick Wall Reinforced with Steel Mesh Mortar Wang Man—sheng,Liu Hui(Bering Institute for Real Estate Science and Technology,Bering 100021,China) Abstract:The reinforced method of steel mesh mortar is used in the reinforced tests of Beijing rural masonry structures.In order to establish the nonlinear theoretical model of brick wall reinforced with steel mesh mortar,in this paper,the three—linear deteriorating restoring force curve of reinforced brick wall is discussed,the computational formulas of resistance to lateral stiffness under the diferent states of shear failure or flexure—shear failure are respectively summarized,and then the computational formulas of load at first crack and the uhimate load are respectively provided according to the existing quasi—static testing data of brick wall reinforced with steel mesh mortar.The above computational formulas are verified by comparing calculated results with testing data,and the comparing result demonstrated that these formulas are feasibility.The nonlinear theoretical model will also being used in the nonlinear seismic analysis of Beijing rural reinforced brick structures. Keywords:brick wall;steel mesh mortar strengthening;resistance to lateral load;resistance to lateral sitfness;pseudo—static testing E.mail.moonwms@sohu.corn 1 引言 开展地震区农村住宅的抗震加固工作已经提上了工 作日程。 砖砌体结构由于具有就地取材、造价低廉等优 点,在我国民用建筑中广泛采用,特别是广大农村地 区。在北京的大部分郊区及农村,砖墙在农宅中的 使用率也非常高,且住宅建设多数没有设计图纸或 没有进行规范的抗震设计。而北京又地处地震多发 区,历史上曾遭受过多次强烈地震的破坏和影响,大 部分地区属于8度抗震设防。2008年汶川地震和 2010年玉树地震给农村住宅的灾难性破坏给人们 以很大的警示。随着我国新农村建设步伐的加快, 大量的文献和实践经验表明,用钢筋水泥砂浆 面层加固砖墙的方法,是国内外地震区抗震加固房 屋的有效措施之一。国内自1976年唐山地震以后, 许多相关技术人员就已经进行了这方面的试验研 究。朱伯龙等 j,李毅弘等 ,楼永林 ,黄忠 邦 ,苏三庆等 ,李明等 ,许清风等 ’ 分别进行 了钢筋网水泥砂浆加固普通砖墙、空心墙、低标号砂 浆砖墙和旧砖墙的抗震能力的对比试验研究。钢筋 网水泥砂浆对砖墙进行抗震加固已经被行业标准 [收稿日期]201I431—21 《建筑抗震加固技术规程》(JGJ1 16—98)采用。随 工程抗震与加固改造 2011年12月 (1)墙体开裂前的平均刚度 抗侧力刚度为: 77 当墙体的开裂荷载和极限荷载都通过公式计算 出来以后,开裂后的平均刚度则可以计算出来,先求 警 (3) (4)、式(5)来计算,不过要做一下折减处理。这是 由于加固墙体开裂后,刚度要降低,其中钢丝网砂浆 弹性模量E 的折减系数取0.35,砖砌体弹性模量 E 的折减系数取0.4。 开裂后的平均刚度: (5) 出极限荷载下的割线弹性模量 。 。 可以通过式 其中:田 为钢筋网水泥砂浆加固后的抗侧力提高系 数,按照《建筑抗震加固技术规程》(JGJ116—2009) 取值;h为墙肢高度;G 为砖砌体剪切弹性模量,取 G =0.4E ,其中E 为砖砌体的弹性模量,按照《砌 体结构设计规范》(GB50003—2001)取值;A 为加固 前原砖墙在1/2层高处横截面面积; 为截面剪应 力不均匀系数,矩形截面取 =1.2。 对于弯剪破坏的加固砖墙,其抗侧力刚度计算 可通过式(4)得到: Kj 12E J『 。G A 其中:△ : ;△ = 』 12 』 1 (3)破坏阶段的刚度 对于破坏阶段的刚度,从大量的试验数据来看, (4) 存在明显的刚度退化现象,为了计算的简便,当应用 本文模型分析时,假定破坏阶段刚度为K3=0。 4 试验结果与计算结果的比较分析 4.1 抗侧承载力比较 其中:E 为钢筋网砂浆组合砌体的弹性模量,E = A ’ , : _ 1 0.5+ ×1。 /为抹面砂浆的 删 ,本文以辽宁省建研院和北京房地产科学技术研 究所的有关钢筋网水泥砂浆加固砖墙的低周反复荷 载试验部分数据来验证上述公式的可行性。计算和 实际试验数据比较见表1所示。辽宁省建研院采用 的试件尺寸为:宽250em、高125cm、厚度24era。本 文选用了部分试验数据进行分析。 { 抗压强度; 为钢筋网砂浆组合砌体的横截面面积 A :A+A ;I。z为钢筋网砂浆组合砌体横截面惯性 ;G -0.钮 。 矩 (2)墙体开裂后的平均刚度 表1 试件承载力实测值和计算值} 较 Table 1 The comparison of testing result and calculation about lateral load 初裂荷载 极限荷载 试验 原墙 砌筑砂浆 砌体抗 面层砂浆 抗压强度 剪强度 抗剪强度 平均 试验值 计算值 平均 试验值 计算值 IV 一 l 单位 编号 压力 Po Jp. lP.一Po l 压力 (MPa) (MPa) (MPa) P0 . 备注 (MPa) (kN) l2_2 l3.1 2.21 2.07 0.2 0.19 1.35 1.36 0.6 O.71 250 273 (kN) 277.6 267.5 O.11 O.02 (MPa) f kN) 0.65 0.74 316 351.1 (kN) 334.2 322.2 0.06 0.08 辽 2 宁 l3-2.07 0.19 1.36 O.69 274 260.1 0.O5 0.235 327 298 0.09 4,6.5@200300、 、省 l4.1 建 I6.3 研 17.1.75 158 .O.18 0.17 0.2 1.35 1.43 I.44 O.69 0.6l O.69 324 317 274 254.9 O.21 276.7 292 O.I3 0.07 0.76 0.67 0.743 362 325 329 3l1.4 0.14 400双面3cm 340.3 352.2 0.04 0.07 1 2.36 院 l5.1 1.84 0.18 1.38 0.56 179 202.6 0.13 0.6 275 222.3 O.19 4,6.5@300,单面 jC111 第33卷第6期 王满生,等:钢筋网水泥砂浆加固砖墙的抗侧承载力和刚度计算 通过相对误差的比较分析来验证抗侧承载力和 的,与试验结果基本相符。 4.2抗侧刚度比较 刚度计算结果的可行性。计算分析以试验数据为基 数,分析计算值与试验数据的相对误差,分别计算初 裂荷载和极限荷载的相对误差的期望值和方差。初 裂荷载时,期望值E=0.103,方差D=0.0049;极限 荷载时,期望值E=0.096,方差D=0.0023。从方 由于没有找到更多的初裂位移和极限位移记录 的试验数据,本文仅以北京房研所的两组试验资料 来分析。 北京房研所采用的试件尺寸为:宽260cm,高 82em,厚度31cm;平均竖向压力0.35MPa,试件采用 石灰砂浆砌筑粘土砖墙。试样GWQX 一 采用06. 差的计算结果来看,所取样本试验数据和计算值之 间相对误差的离散性非常低,是可以作为分析样本 的。从计算出来的相对误差的期望值看基本是在 10%左右,在工程实际中10%的误差是完全可以接 受的,这说明按照式(I)、式(2)分别估算出的钢筋 网水泥砂浆加固砖墙的初裂荷载和极限荷载是可行 200钢筋网,双面抹砂浆(厚度35mm),其中竖向 1406、水平506;试样SWQX 一。采用06-400钢筋 网,双面抹砂浆(厚度35ram),其中竖向806、水平 306。计算结果分析比较见表2所示。 表2试件抗侧刚度试验值和计算值比较 Table 2 The comparison of testing result and calculation about lateral stifness 开 裂前刚度K, 试验 单位 原墙 砌筑砂 编号 浆配比 开裂后平均刚度K: 初裂荷载(kN) 初裂 ( 03kN/mm) 极限荷载(kN) 极限 (10 kN/mm) 位移 试验值 计算值 P1一P0 (mm) 试验值 计算值 Kll—Kl0 试验值 计算值 。一 P0 P, P0 K10 K1l Kl0 P0 Pl 位移 (mm) 试验值 计算值 K21一K2c K20 K2i K20 房研 GWQXb一1 1:3 所 SWQXb3 249 263.7 0.O5 0.203 1.23 229.5 244.5 0.06 0.2l 1.09 1.25 0.016 272.6 342.3 0.2 1.07 0.018 274.1 322.8 0.1 0.49 O.82 1.12 O.36 1.4 0.37 1.2 2.24 l:4 从表2中可以看到,初裂荷载和极限荷载计算 值和试验值的比较结果与表1中的情况基本相似。 对墙体抗侧刚度的计算值和试验值的分析方法与表 1的分析过程一样,初裂前刚度,其相对误差的期望 算出的刚度相差不大。 5 结语 本文针对房屋抗震加固的有限元计算分析中, 钢筋网水泥砂浆加固砖墙的非线性计算问题,探讨 了针对农村住宅中砖墙加固后的退化三线性恢复力 特性曲线,总结和提出了钢筋网水泥砂浆加固砖墙 分别考虑剪切变形和弯剪变形影响下的抗侧力刚度 计算方法。同时分别给出了墙体的初裂承载能力和 极限承载能力的计算公式,并通过对比试验数据和 值E=0.017,方差D=0.000001,说明开裂前的刚 度计算值和试验值吻合的非常好;但在开裂后的平 均刚度计算值和试验值误差比较大,可能原因是试 验过程中数据的记录有问题。比如试样SWQX… 的极限位移记录值比初裂位移增加了将近7倍,而 试样GWQX 一 在相同情况下只增加了两倍,这说明 记录出现了问题。由于所采用的试验样本比较少, 不能充分验证抗侧刚度计算公式的可行性,但在文 献[5]中也论述了相似的开裂后平均刚度的计算公 式,并验证了公式计算的可行性。 利用上述公式计算出的数据,验证钢筋网水泥砂浆 加固砖墙后的非线性计算模型,为北京市农村钢筋 网水泥砂浆加固砖墙住宅非线性地震反应分析的有 限元模拟提供了砖墙的非线性力学模型。 参考文献(References): 在有限元计算分析过程中,有时需要利用有限 元的计算结果来近似代替试验结果,这就不可避免 [1]朱伯龙,吴明舜,等.砖墙用钢筋网水泥砂浆面层加 固的抗震能力研究[J].地震工程与工程振动,1984, 4(1):7O一75 Zhu Bo-long,Wu Ming-shun,et a1.A Study on Aseismic Capacity of Brick Wall Strengthened With 出现要先确定墙体的破坏类型,这往往很难通过理 论来判定,所以在钢筋网砂浆加固墙体的有限元建 模时,砌体的本构关系在弹性阶段一律采用公式 (3)来估算开裂前的平均刚度。通过式(3)和(4)计 ・12O・ 1-程抗震与加固改造 83 2011年12月 Cement Mortar Reinforced with Steel Mesh『J]. 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