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配BFG蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖填充墙框架抗震性能试验


摘要

填充墙框架结构是广泛应用于房屋建筑中的一种结构体系。国内外大量震害表明,在强震作用下填充墙与框架相互作用非常复杂,导致结构和填充墙都发生了严重破坏,采用传统填充墙连接方式已不能完全满足填充墙框架抗震性能要求。我国墙体改革,限制粘土砖的使用之后,蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖作为一种绿色环保墙体材料,符合国家可持续发展战略。为充分发挥其性能优势以及满足节能
蒸压加气混凝土砌块 轻质砖 轻质隔墙板 加气块
环保的要求,砌体需采用薄灰缝(不大于5mm),故不能按常规要求直接配置Φ5~6mm的钢筋,而传统的割槽配筋做法施工又较为繁琐。因此迫切需要寻找一种钢

筋替代品,它既能实现薄灰缝,又能提高墙体延性,对墙体变形构成强有力约束。本文采用蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖作为填充墙材料,尝试用玄武岩纤维格栅替代钢筋作为填充墙的拉结材料,主要工作如下:

(1)查阅大量的文献以及广泛调研之后,本文选取了一种性能较好的材料——玄武岩纤维格栅(简称BFG),并对其进行了基本力学性能试验,结果表明该材

料力学性能能够满足设计要求;

(2)考虑了纤维格栅材料类型、布置方式及表面处理方式等因素对配BFG蒸

加气混凝土砌块砌体进行了基本力学性能试验研究,对比分析了未配置纤维格栅与配置纤维格栅砌体抗压和抗剪强度,结果表明在蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖砌体灰缝中配玄武岩纤维格栅提高了砌体的抗压强度及抗剪强度,与未配格栅的普通砌

体相比,抗压强度提高约10%,抗剪强度提高约13%。灰缝厚度为5mm左右,能

满足薄灰缝设计要求;

(3)针对玄武岩纤维格栅的特性,设计了两种墙框架柱连接方式,并对配BFG

蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖填充墙进行了平面内和平面外抗震性能试验。平面内抗震性能试验对比分析了纯框架和两种连接方式的填充墙框架破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度衰减、刚度退化、位移延性以及耗能能力,结果表明与纯框架相比,

本文采用的两种连接方式的配BFG蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖填充墙框架承载能力提高

很小;平面外抗震性能试验对比分析了两种连接方式的填充墙破坏特征、面外荷

载位移曲线、墙体位移分布以及格栅应变分布,结果表明玄武岩纤维格栅能限制

墙体的位移,能提高墙体的抗倒塌能力;

(4)根据配BFG蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖填充墙的抗震性能试验结果,对应用玄武岩纤维格栅作为填充墙拉结材料进行了可行性分析,结果表明配BFG填充墙面

外承载能力能够满足水平地震作用力的要求,且较传统的拉筋连接更加的经济。

关键词:玄武岩纤维格栅;蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖;基本力学性能;填充墙框架;


第一章绪论

1.1研究背景

砌体填充墙作为结构的非结构构件,主要起到分割和维护作用,具有布置灵活,施工方便,造价较低等优点,在国内外得到了广泛应用。随之而来,对填充墙本身的设计要求也不断提高,填充墙在结构设计中的问题也逐渐暴露。近年国内发生的大地震震害表明,中框架填充墙结构破坏严重,大量填充墙发生倒塌破

坏(如图11),且很多框架由于填充墙的作用发生了非预期的结构破坏现象,常

见的有刚度效应引起的结构薄弱层破坏或扭转破坏、约束效应引起的短柱剪切破坏。导致这种破坏的主要原因是由于框架设计中没有考虑填充墙的作用,规范对填充墙仅仅做了构造要求,并没有设计方面的计算,且构造方面也只做了简单的要求。因此,减轻框架填充墙在地震中的破坏,保证生命财产安全,提高框架填充墙的抗震性能成为工程界亟待解决的重要问题。

图11填充墙倒塌破坏照片

目前,针对填充墙框架设计,主要有两个思路:一是让填充墙参与结构受力,将填充墙作为结构的第一道抗震防线,这就需要解决填充墙与框架相互作用,且设计如何合理的考虑填充墙的作用等问题;二是填充墙不参与结构受力,仅仅起

1蒸压加气混凝土砌块 轻质砖 轻质隔墙板 加气块

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中国地震局工程力学研究所硕士学位论文

分割和维护作用,因此,墙与框架的连接成为关键问题,如何设计可靠的连接,既能保证填充墙与框架不会产生相互作用,不改变框架的受力模式,且同时减少填充墙本身的破坏,满足小震不坏、中震可修、大震不倒的抗震设计目标。若不考虑填充墙的作用,则需将填充墙与框架脱开设计,随之而来的一个问

题,如何能够减小填充墙的地震作用,根据《建筑结构抗震设计规范》GB500112010

中水平地震作用计算公式,将水平地震作用力等效为重力乘以水平地震影响系数,水平地震作用力与结构重力成正比,因此,减少填充墙本身的自重就非常关键。

蒸压砂加气混凝土砌块 轻质砖本身自重非常轻,密度为700800kg/m3,是普通粘土砖(密度在1700kg/m2)一半左右,同时也是一种绿色环保墙体材料,符合可持续发展战略,

是目前我国大力倡导采用的墙体材料。为充分发挥其性能优势,也为更好的节能

要求,砌体需采用薄灰缝(不大于5mm),故填充墙设计就不能直接采用常规的配置直径为5~6mm的钢筋,因此迫切需要寻找一种钢筋替代品,它既能实现薄

灰缝,提高墙体延性,对墙体变形构成强有力约束,又施工方便、耐久性好、价格合理,从而为推广节能、抗震、防裂的约束砌体结构提供有力保障。本文研究思路为选取一种可靠的连接材料替代钢筋进行填充墙与框架连接,并合理设计墙框之间的连接,使填充墙在平面内不会影响框架承载力,且平面外还能有很好的承载能力以及抗倒塌能力。

1.2玄武岩纤维格栅(BFG)

上节提到需要寻找一种材料代替钢筋进行填充墙与框架的连接,经广泛的调研与分析,认为在砌体中配置一定量的玄武岩纤维格栅可能成为普通钢筋的理想替代材料,本节主要对这种玄武岩纤维格栅的材料性能以及目前土木工程的应用研究进行阐述。

连续玄武岩纤维简称CBF最早在20世纪50年代由前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发、生产,近十年美国、日本、德国等相继对CBF进行了研究,加强了对CBF的理解和应用。在我国,1990年左右由南京玻璃纤维研究设计院最早开展CBF的研究,主要侧重军工用途,2002年连续玄武岩纤维(CBF)被列为国家863计划开发项目,2005年成功研发出玄武岩纤维。研究成果表明,我国拥有完全自

主知识产权的低成本大规模发展生产玄武岩纤维的新技术、新装置和新工艺[1]。时

至今日玄武岩纤维的生产技术越来越成熟,且我国玄武岩资源丰富,储量很大,为后期发展玄武岩纤维提供了技术支持和物资保障。它在整个生产和应用过程中

无环境污染,属于绿色生态材料,也被称之为“21世纪新型材料”,可以预见玄

武岩纤维的应用将会得到很大的发展。

目前以玄武岩纤维为原料生产了大量的玄武岩纤维制品,如玄武岩纤维格栅

(简称BFG)、玄武岩纤维布、玄武岩复合筋等等,广泛用于各个行业。其中玄

武岩纤维格栅主要应用于道路增强以及结构或构件加固,并取得了不错的效果。

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第一章绪论

1.2.1玄武岩纤维格栅材料性能

高性能纤维材料在土木工程领域的应用一直受到人们的关注,常用于混凝土增强的高性能纤维材料有玻璃纤维、碳纤维和芳纶。本节分别从材料的物理、化学、力学性能及经济成本角度对不同的增强纤维材料进行分析对比。

(1)玄武岩纤维的重要物理力学性能

玄武岩纤维主要是以玄武岩矿石为原料,经过熔融纺丝制备的新型纤维,其融化过程中碱金属氧化物析出很少,排放的烟尘中基本没有有害物质,对环境无

污染,是一种绿色健康纤维材料[4]。玄武岩纤维和水泥中的火山灰有着相同成分和密度,与水泥的相容性和分散性好于其他增强材料[5]。玄武岩纤维与常用于混凝土

增强的各种高性能纤维的物理性能对比于表11。

表11常用于混凝土增强的各种高性能纤维的力学性能对比[6]