生土砌块墙体地震失效机理研究

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生土建筑作为世界历史悠久的传统建筑之一,具有易取材、造价低、易施工、低耗能、无污染等优点,在新疆村镇地区分布广泛,但因生土材料自身缺陷,导致墙体强度低、抗震性能差等缺点,在历次震害中属于破坏最为严重的结构形式。目前生土结构尚无明确抗震设计方法,其抗震设防主要依赖于构造措施,故研究生土墙体地震作用下失效机理,提出地震作用下生土结构性能退化的合理评价指标和失效判据对后续建立生土结构设计方法、开展地震损伤评估和加固具有重要意义。本文采用试验研究、数值模拟及理论研究相结合的方式对生土砌块墙体的失效机理展开研究。主要研究工作及结论如下:(1)为研究生土建筑中三类典型墙体,实体墙、带窗洞及带门洞墙体抗震性能,揭示这三类墙体在地震作用下从开裂到倒塌失效全过程,本文进行了4片生土砌块墙体低周往复水平加载试验。研究结果表明:1)生土砌块墙体破坏模式均以剪切变形为主,其破坏现象与砖砌体结构较为相似,裂缝基本都是沿灰缝不断延伸扩展。失效过程大致分为四个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段以及倒塌阶段。2)三类墙体失效过程中其试验现象有所不同,实体墙在墙体表面形成X型主斜裂缝;门窗洞将墙体形成联肢墙,门窗洞两侧墙肢试验现象基本一致,带窗洞墙在窗洞两侧形成左右不对称X型主斜裂缝,带门洞墙左右两侧墙肢在失效过程中均形成了X型主裂缝。(2)为研究竖向应力、高宽比、高厚比等因素对墙体抗震性能及失效过程的影响规律,全面揭示生土砌块墙体地震失效机理,本文采用ABAQUS有限元软件进行了扩展参变量足尺模型分析。研究表明:1)随着高厚比增加,墙体破坏模式由剪切破坏逐步向剪切/压碎破坏转变,且高厚比越小,墙体承载力越大,但高厚比对墙体变形能力影响较小,试件进入各阶段点时间基本一致;2)竖向压应力在0.1MPa~0.2MPa之间,其对墙体破坏模式影响不明显,但竖向压应力取值越大,墙体承载力及其变形能力也会随之增加,试件进入各阶段时间就越晚;3)随着剪跨比增加,墙体破坏模式由剪切破坏逐步向剪切/斜拉破坏模式转变;剪跨比越大,墙体承载力越小,但对墙体变形能力影响较小,墙体进入弹塑性阶段时间也会越晚。(3)为确定生土结构性能退化的合理评价指标和失效判据,本文结合低周往复水平加载试验、有限元模拟结果,以及有关生土墙体的文献,提出了地震作用下生土墙体失效过程中各阶段抗震性能指标量化值;基于现有地震损伤模型,提出一种刚度与变形相结合的改进的损伤模型,确定了该损伤评估表达式的组合参数和各损伤等级的划分范围,并验证了改进模型的有效性。
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