砌体结构在地震作用下的破坏机理与倒塌判定

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历次大地震震后发现砌体结构普遍破坏严重,研究砌体结构在地震作用下的破坏机理成为必要。由于试验条件的局限,且正值有限元分析的兴起,利用有限元软件分析砌体结构整体的地震响应成为主流方法之一。本文为了研究砌体结构的地震响应,先从砌体结构的基本单元——单片墙的力学性能着手研究。通过借用前边学者的试验结果,建立相同条件下的单片墙有限元模型,利用LS-DYNA软件对该结构承受水平单调荷载下的情况建模计算,进行了试验与数值仿真结果的对比分析,证明了模型及接触算法的有效性,奠定了该有限元模型在后续研究中得到合理结果的基础。之后依据力学原理对该结构的反力——位移曲线划分为四个阶段,分别描述了各阶段的特点及进入各阶段的标志。其后建立了承受大小不同竖向荷载下墙体的有限元模型,进行了力学分析,证明了增大竖向压力可以提高墙体抗剪承载能力。对于承受循环荷载作用下的墙体,建立了三类不同墙体(不同开洞位置),对比分析了墙体的反力——位移曲线,从曲线中得出在该加载过程这几类墙体产生刚度退化与承载能力下降的现象,详细解释了造成刚度退化与承载能力下降的原因,并得出墙体开洞不利于墙体的抗震能力。基于对单片墙体合理的验证结果,本文利用分离式方法建立了三层无加固与构造柱加固的砌体结构的两类三维有限元模型,通过施加设防地震波,对模型进行有限元计算,定性地分析了加载结束后结构的破坏情况,定量地分析了纵横墙面内、面外位移以及结构的层间位移。结果表明,对于两类砌体结构,其顶层在该地震作用下破坏程度均高于底层;由于构造柱的加固作用,有构造柱的砌体结构整体性较好,破坏程度较轻,明显减小了纵横墙以及结构层间的变形。由破坏情况与变形参数,依据《建筑地震破坏等级划分标准》与《民用建筑可靠性鉴定标准》对结构的破坏模式及安全性进行了评定,得出未加固砌体结构在加载结束后顶层破坏模式为倒塌破坏,且顶层不适合继续承载,构造柱加固的砌体结构顶层破坏模式为中等破坏,且结构顶层可以继续承受地震荷载,直到不满足规范限值。最终得出加固的砌体结构能有效提高地震承载能力。
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