砌体结构教学楼抗震性能及地震破坏机制控制研究

摘要

2008年汶川大地震造成砖砌体结构教学楼大量破坏，部分教学楼受到严重破坏甚至倒塌，砌体结构教学楼在强震作用下的抗震性能和抗倒塌安全性引起学者们的广泛关注。砌体结构教学楼一般具有开间和进深较大、墙体数量少、纵墙开洞率高等不利于结构抗震的特点，目前对其抗震性能的认识主要基于震害调查分析，现行抗震设计规范针对大开间砌体结构的地震破坏模式设计缺少特别规定，对砌体结构教学楼的抗震性能、地震破坏机制控制以及窗间墙和进深较大墙体的抗震性能及其影响因素等研究不够。本文选取砌体结构教学楼为研究对象，对大开间砌体结构的抗震性能及地震破坏机制控制进行研究，主要研究工作和结论如下:
　　1)分析了砌体结构教学楼的组成特点和典型震害特征，比较了砌体结构“强柱弱梁”和“强梁弱柱”两种宏观破坏机制下结构抗震能力的差异，对结构震害原因进行了初步分析，针对结构抗震的薄弱环节提出了相关的抗震设计建议。
　　2)进行了5片纵墙试件的拟静力试验，研究了窗间墙的抗震性能及其影响因素。结果表明，按照规范要求设置构造柱的墙体具有较好的抗震能力，适当增大构造柱截面尺寸能够进一步改善墙体的破坏形态、延性和耗能能力，但增大中柱截面配筋率到一定程度时反而降低墙体的延性和耗能能力。
　　3)进行了5片横墙试件的拟静力试验，分析了圈梁与构造柱的布置方式对其破坏模式和抗震性能的影响。结果表明，圈梁与构造柱的设置方式决定了墙体的抗震性能，按照现行抗震设计规范在横墙两端设置构造柱，同时保证墙体与基础梁间不发生剪切滑移，则横墙的抗震性能相对较好;中间增设构造柱或同时加设圈梁墙体的抗震性能并没有得到有效改善，但增设圈梁和构造柱的试件，极限变形后破坏墙块的变形受到中间圈梁的约束，墙体具有较好的后期整体性。
　　4)通过1个两层砖砌体结构缩尺模型的拟静力试验，对窗间墙扶壁柱配筋率为1.67％的砌体模型的破坏特点、抗震性能、窗间墙的破坏模式以及纵墙的破坏机制等进行了研究。结果表明，窗间墙扶壁柱配筋率增大到一定程度时，扶壁柱与两侧砖砌体部分的协调变形能力很差，导致模型发生层间破坏机制，窗间墙剪切破坏，纵墙发生“强梁弱柱”式破坏，部分窗间墙出现垮塌破坏，最终形成倒塌机制，模型的延性和耗能能力均较差。
　　5)进行了2个砖砌体结构缩尺模型（窗间墙扶壁柱配筋率为0.77％）的拟静力试验，分别对普通砖砌体窗间墙模型和窗间墙锚固配筋模型的破坏特征、承载能力、变形能力、延性和耗能能力、窗间墙的破坏模式、纵墙的宏观破坏机制及其控制条件等进行了研究。结果表明，普通窗间墙模型发生层间破坏机制，窗间墙剪切破坏，纵墙发生“强梁弱柱”式破坏，模型最终形成倒塌机制;窗间墙锚固配筋模型发生整体型破坏，窗间墙弯曲破坏，纵墙的宏观破坏具有“强柱弱梁”特征，模型的破坏形态、延性和耗能能力等均得到显著改善，层间变形均匀。因此，窗间墙局部锚固配筋的抗震设计方法能够实现对结构地震破坏机制的有效控制，而保证相邻层两窗间墙的受弯承载力之和高于相邻两窗下墙承载力之和有利于“强柱弱梁”式破坏机制的形成。
　　6)采用钢筋网水泥砂浆面层对砌体结构教学楼的纵向窗间墙进行三面抗震加固并采取锚固措施，通过模型拟静力试验对加固窗间墙砖砌体结构模型的破坏特点、抗震性能、窗间墙的破坏模式、纵墙的破坏机制及其设计控制条件等进行了分析。结果表明，模型发生整体型破坏，窗间墙弯曲破坏，模型的延性和耗能能力比普通砖砌体窗间墙模型得到明显改善，承载能力和变形能力也得到提高，最终形成“强柱弱梁”抗倒塌机制。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 结构地震破坏机制控制的意义

1．2．1 地震作用及结构抗震设计理论和方法的发展

1．2．2 结构体系的抗倒塌机理

1．2．3 砌体结构教学楼的抗地震倒塌

1．3 国内外研究现状和趋势

1．3．1 震害调查分析

1．3．2 模型试验研究

1．3．3 数值模拟研究

1．3．4 其它

1．4 本文主要研究内容、目标

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法、目标

第2章 砌体结构教学楼组成特点及震害分析

2．1 砌体结构教学楼建筑特征

2．1．1 平面布置特点

2．1．2 平立面尺寸

2．1．3 门窗洞口及开洞率

2．2 砌体结构教学楼的结构特点

2．2．1 结构布置特点

2．2．2 墙体高宽比

2．2．3 圈梁和构造柱

2．2．4 荷载水平

2．2．5 楼板形式

2．3 砌体结构教学楼典型震害及分析

2．3．1 整体破坏模式

2．3．2 横墙典型震害

2．3．3 纵墙典型震害

2．3．4 其它震害

2．3．5 震害原因分析

2．3．6 抗震设计建议

2．4 小结

第3章 砌体结构教学楼纵向窗间墙抗震性能试验研究

3．1 引言

3．2 试验概况

3．2．1 试验目的

3．2．2 试验内容

3．2．3 试件设计与制作

3．2．4 材性试验

3．2．5 试验装置及加载方案

3．2．6 测点布置及量测内容

3．3 试验现象

3．4 试验结果及分析

3．4．1 破坏特点

3．4．2 滞回曲线

3．4．3 骨架曲线

3．4．4 刚度退化

3．4．5 延性性能

3．4．6 耗能能力

3．4．7 整体性分析

3．5 纵向窗间墙中柱设置分析

3．6 小结

第4章 砌体结构教学楼横墙抗震性能试验研究

4．1 引言

4．2 试验概况

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验内容

4．2．3 试件设计与制作

4．2．4 试验装置及加载方案

4．2．5 测点布置及量测内容

4．3 试验现象

4．4 试验结果及分析

4．4．1 滞回曲线

4．4．2 骨架曲线

4．4．3 延性性能

4．4．4 耗能能力

4．4．5 整体性分析

4．5 墙体破坏机理分析

4．5．1 主要破坏模式

4．5．2 破坏特点

4．5．3 横墙附加构造作用机理

4．6 小结

第5章 窗间墙壁柱增强配筋砌体结构教学楼抗震性能试验研究

5．1 引言

5．2 试验概况

5．2．1 试验目的

5．2．2 研究内容

5．2．3 模型设计与制作

5．2．4 加载装置及加载方案

5．2．5 测点布置及量测内容

5．3 试验现象

5．4 试验结果及分析

5．4．1 破坏特点

5．4．2 滞回曲线

5．4．3 骨架曲线

5．4．4 延性性能

5．4．5 耗能能力

5．5 结论及设计建议

第6章 砌体结构教学楼“强柱弱梁”式破坏机制抗震设计研究

6．1 引言

6．2 试验概况

6．2．1 试验目的

6．2．2 研究内容

6．2．3 模型设计与制作

6．2．4 加载装置及加载方案

6．3 试验现象

6．3．1 模型M2

6．3．2 模型M3

6．4 试验结果及分析

6．4．1 破坏特点

6．4．2 滞回曲线

6．4．3 骨架曲线

6．4．4 刚度退化

6．4．5 延性性能

6．4．6 耗能能力

6．4．7 纵墙破坏机制计算分析

6．5 窗问墙配筋方案经济性分析

6．6 砌体结构的延性

6．7 结论及建议

第7章 基于破坏机制控制的砌体结构教学楼抗震加固设计研究

7．1 引言

7．2 抗震加固原理

7．3 试验概况

7．3．1 研究目的和内容

7．3．2 模型设计与制作

7．3．3 加载装置及加载方案

7．3．4 测点布置及量测内容

7．4 试验现象

7．5 试验结果及分析

7．5．1 破坏特点

7．5．2 纵墙宏观破坏机制计算分析

7．5．3 滞回曲线

7．5．4 骨架曲线

7．5．5 刚度退化

7．5．6 延性性能

7．5．7 耗能能力

7．6 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文