0 引言

　　 夯土建筑具有取材方便、热工性能好、材料可循环利用等特点,是我国西北地区村镇的主要建筑类型之一 ^[1]。然而,夯土建筑因自身强度不高且缺乏有效的抗震构造措施,地震发生时破坏较为严重 ^[2]。因此,研究经济适用的构造措施是提高夯土建筑抗震性能、减轻震害的有效途径之一。

　　 近年来,随着我国在绿色农房方面的深入研究,生土结构又重新成为热点,北方地区建造了多个示范建筑,取得了一定的成果。在夯土墙材料方面 ^[7,8],王毅红、仲继清等 ^[3,4]对素土、灰土及麦秸土等多种土料进行了相关试验,得到了不同夯筑土料的压实性、抗剪强度、抗压强度等指标,为夯土建筑材料的选用提供了较好参考。杨辉 ^[5]研究了在水平荷载作用下,不同的尺寸、含水率、内摩擦角等条件对夯土墙体破坏形态和承载能力的影响。赵西平 ^[6]通过对多组夯土墙试件进行竖向单调和水平反复荷载下试验,分析了不同材料的夯土墙抗剪性能及抗震性能。

　　 目前国内学者对夯土建筑抗震性能方面的研究多集中于夯土材料选择、配比方面 ^[7,8],从构造措施等角度来提高抗震性能的研究成果相对较少。本文对1∶3缩尺的夯土墙进行低周反复荷载试验,观测分析其抗震性能; 基于试验结果,通过ABAQUS有限元软件建立不同构造措施下夯土墙体的有限元模型,分析不同构造措施对夯土墙体抗震性能的影响,提出合理的抗震构造优化方案。

1 试验概况

1.1 试件尺寸及材料参数

　　 试验夯土墙采用1∶3缩尺比例进行模型设计。混凝土圈梁为马牙槎形,底梁为工字形,墙体材料为掺入质量比为10%水泥的黄土。墙体示意见图1,底梁尺寸及配筋见图2, 墙体材料参数见表1。

　　 图1 试验墙体示意图   

　　  

　　 图2 混凝土底梁尺寸及配筋图   

　　  

　　 夯土墙体及圈梁主要参数 表1

参数	密度/(kg/ m3)	弹性模量/MPa	泊松比
C30混凝土	2 500	30 000	0.2
HPB335级钢筋	7 800	200 000	0.3
夯土墙	1 720	144	0.347

 

　　  

1.2 试验加载装置

　　 对夯土墙进行低周反复加载试验。竖向荷载通过1 000kN液压千斤顶施加,钢梁将集中荷载分配给墙体试件,并通过重力传感器监测竖向荷载值。水平荷载通过电液伺服作动器施加。加载装置如图3所示。

　　 图3 试验加载装置图  

　　  

1.3 配重布置和试验加载制度

　　 参考小青瓦屋面做法的夯土农房,计算作用于承重夯土墙的竖向荷载 ^[9],竖向荷载通过1 000kN的液压千斤顶一次加载至23.27kN。

　　 试验通过低周反复加载模拟水平地震作用,采用位移控制,得到墙体的滞回曲线 ^[10],加载制度如图4所示。水平低周反复荷载由电液伺服作动器在墙体顶部施加,试件采用位移控制,参考钢筋混凝土框架-抗震墙的抗震变形验算,以层间位移角θ表示,加载步长为每级1/1 000,循环两次,加载速度0.2mm/s;当层间位移角θ达到8/1 000时,增大加载步长,改为每级2/1 000,循环两次,加载速度0.2mm/s;当层间位移角θ达到20/1 000时,加载步长增大至每级4/1 000,循环一次,加载速度不变。在试验过程中可以根据试验情况实时调整加载步长和循环次数,试验直至试件完全破坏为止。

　　 图4 位移加载制度   

　　  

1.4 试验结果

1.4.1 滞回曲线

　　 在低周反复荷载作用下,滞回曲线反映了夯土墙体在受力过程中的刚度退化、延性性能和能量消耗等特征。图5为在低周反复荷载作用下试验夯土墙的滞回曲线。

　　 如图5可知,在加载初期,水平荷载较小,此时荷载与位移几乎呈线性关系发展,夯土墙处于弹性阶段; 随着加载逐级增大,滞回曲线不断向横轴倾斜,水平裂缝出现并完全贯通,墙体很快达到极限荷载。

1.4.2 骨架曲线

　　 试验夯土墙的骨架曲线如图6所示,在水平循环荷载作用下试验夯土墙经历了弹性、屈服、破坏阶段。墙体的极限荷载较小,骨架曲线在达到极限荷载后迅速下降,几乎没有塑性平台,说明试验夯土墙变形能力较弱,呈脆性破坏。

　　 图5 试验夯土墙滞回曲线 

　　  

　　 图6 试验夯土墙骨架曲线   

　　  

2 试验夯土墙有限元分析

2.1 建模方法及单元选用

　　 基于试验夯土墙的尺寸,采用ABAQUS软件建立有限元模型(Q-0)。由于夯土墙一般采用逐层夯筑,分层施工处采取有效措施使墙体的整体性较好,建模时将夯土墙视为一个整体。

　　 夯土墙体与混凝土梁均以六面体单元C3D8R划分网格,该单元是采用缩减积分、沙漏控制的三维八节点线性六面体实体单元,在每一节点处有x,y,z向的自由度; 钢筋采用T3D2单元划分网格,该单元是三维线性两节点桁架单元,其节点只有x,y,z向平动自由度,只能受拉、不能受弯 ^[11]。

2.2 材料性质

　　 模拟夯土墙体材料采用摩尔-库伦模型,摩擦角取28.6°,黏聚力取63.58kPa; 混凝土梁采用混凝土塑性损伤模型,其中,膨胀角取30°,偏心率取0.1,双轴/单轴极限抗压强度均取1.16MPa,不变应力比取0.666 7。梁内配筋采用双线性模型。

2.3 计算模型加载制度

　　 有限元模拟的加载制度与试验的加载制度相同。有限元模拟计算所施加的竖向均布荷载按比例转化为72.72kPa。

2.4 试验与模拟结果拟合分析

　　 图7为夯土墙有限元模型滞回曲线,图8为夯土墙有限元模型与试验的骨架曲线的对比,计算结果见表2。

　　 图7 有限元模型 夯土墙滞回曲线 

　　  

　　 图8 有限元模型与试验 夯土墙骨架曲线对比

　　  

　　 有限元模型与试验夯土墙的计算结果对比 表2

计算结果	屈服		极限
	荷载/kN	位移/mm	荷载/kN	位移/mm
试验	12.27	1.1	15.32	2.61
有限元模型	11.06	0.96	16.60	2.78
误差	9.9%	12.7%	8.4%	6.5%

 

　　  

　　 对比有限元模型与试验夯土墙的计算结果可知,试验所得曲线和有限元模拟滞回曲线和骨架曲线十分相似,弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段接近。由于试验中受限于施工技术,墙体某些位置较为薄弱,这与有限元模拟时均匀整体的假定稍有不同,同时墙体开裂为肉眼观测,具有一定滞后性,因此模拟结果较试验结果偏大,但有限元模拟误差大小在允许范围之内。

　　 综上所述,本文所建模型和计算参数基本可以反映夯土墙的破坏形态,通过此方法对不同构造措施下夯土墙的抗震性能进行有限元模拟是可行的。

3 不同构造措施下夯土墙抗震性能的有限元分析

　　 为进一步研究不同构造措施对夯土墙抗震性能的影响,采用ABAQUS软件建立不同构造措施下的夯土墙模型,分别为:设置混凝土圈梁+构造柱的夯土墙(Q-1),设置混凝土圈梁+构造柱+一道拉结筋的夯土墙(Q-2),设置混凝土圈梁+构造柱+两道拉结筋的夯土墙(Q-3),设置混凝土构造柱+三道拉结筋的夯土墙(Q-4)。混凝土圈梁和混凝土构造柱均采用C30混凝土,纵筋和箍筋均采用ϕ6钢筋,箍筋间距为100mm。材料参数和加载制度与素夯土墙试验相同,Q-1～Q-4模型尺寸如图9所示。

3.1 滞回曲线对比分析

　　 Q-1～Q-4模型的滞回曲线如图10所示。由图10可知, Q-1～Q-4模型的滞回曲线变化趋势与Q-0模型相似,而形状较Q-0模型更加饱满; 采用不同构造措施的夯土墙模型的极限位移和极限荷载显著增大。

　　 计算绘制出滞回曲线面积随位移变化的曲线,以直观反映各模型的耗能情况 ^[12],如图11所示。和Q-0模型相比,设置构造措施模型的耗能能力显著增强,模型的滞回曲线面积在试验结束时仍为线性增长趋势。

　　 图9 不同构造措施夯土墙有限元模型尺寸图   

　　  

　　 图10 夯土墙有限元模型滞回曲线 

　　  

　　 Q-3模型和Q-4模型的极限位移、极限荷载及耗能能力相差较小,两者的抗震效果均优于其他模型。Q-4模型与Q-3模型相比减少了圈梁,多设了一道拉结筋,因此,在抗震效果方面,顶部拉结筋可以代替混凝土圈梁,降低了施工成本。

　　 图11 夯土墙有限元模型滞回曲线面积-位移曲线  

　　  

3.2 骨架曲线对比分析

　　 5组夯土墙有限元模型的骨架曲线见图12。由图12可知, Q-0模型的骨架曲线最先达到荷载峰值,之后立即进入下降阶段; Q-1模型的极限荷载明显高于Q-0模型,并出现塑性平台; Q-2模型的极限荷载和极限位移较Q-1模型进一步提高,塑性平台变长; Q-3模型和Q-4模型的极限荷载和极限位移非常接近,且两者的刚度较大,在加载后期曲线均出现较长的塑性平台,极限荷载和极限位移最大。

　　 图12 夯土墙有限元模型骨架曲线  

　　  

　　 对比分析可知,圈梁和构造柱的设置可以显著提高夯土墙的变形能力和水平承载能力; 拉结筋可以改善夯土墙的整体变形性能。

3.3 夯土墙抗屈服、抗剪性能对比分析

　　 根据能量等值法确定各夯土墙有限元模型的屈服位移及屈服荷载、极限位移及极限荷载取骨架曲线最大值。各夯土墙有限元模型的抗屈服、抗剪性能提高情况见表3,4。

　　 不同构造措施夯土墙有限元模型的屈服位移及屈服荷载 表3

模型 编号	屈服位移		屈服荷载
	位移/mm	提高幅度/%	荷载/kN	提高幅度/%
Q-0	1.21	—	10.09	—
Q-1	1.78	47.1	21.24	110.5
Q-2	1.82	50.4	23.09	128.8
Q-3	1.87	54.5	24.10	138.9
Q-4	1.84	52.1	23.58	133.7

 

　　  

　　 由表3可知,在采用不同构造措施后,夯土墙模型屈服位移及屈服荷载均有较大程度的提高,且屈服位移提高幅度相似,为50%左右,说明混凝土圈梁和构造柱可以有效约束墙体的变形,延缓墙体在水平地震作用下的屈服,拉结筋的设置对提高夯土墙的屈服位移和屈服荷载作用并不明显,分析认为拉结筋属于横向构造,主要在改善墙体整体性能方面发挥作用。

　　 不同构造措施夯土墙有限元模型的极限荷载和极限位移 表4

模型 编号	极限位移		极限荷载
	位移/mm	提高幅度/%	荷载/kN	提高幅度/%
Q-0	2.78	—	14.55	—
Q-1	4.27	54	23.79	63.5
Q-2	5.79	101.7	25.98	78.6
Q-3	7.28	161.9	26.81	84.3
Q-4	7.86	182.7	25.74	76.9

 

　　  

　　 由表4可知,不同的构造措施下的夯土墙有限元模型的极限位移及极限荷载均有较大程度的提高,变形能力显著增强。设置三道拉结筋的Q-4模型的极限位移提高程度最大,为182.7%,结合骨架曲线分析可知,在加载后期,拉结筋可有效限制夯土墙裂缝的发展,从而提高夯土墙的变形能力,使极限位移显著增大。Q-3模型的极限荷载的提高程度最大,为84.3%,可以认为圈梁和构造柱共同作用形成了空间框架,使夯土墙抗剪能力显著提高。对比Q-3模型与Q-4模型可知,将墙体顶部的混凝土圈梁用拉结筋代替后,夯土墙的极限承载力仅下降4%左右,而极限位移提高约8%,因此,将混凝土圈梁用拉结筋代替对夯土墙的极限承载力损害非常小,同时能够提高墙体的极限位移,方便施工,降低造价。综合考虑,设置混凝土构造柱和三道拉结筋的夯土墙性能最好。

3.4 墙体变形性能对比分析

　　 延性是反映结构变形能力和抗震性能的重要指标,通常用延性系数μ来表示 ^[13]:

　　 μ=ΔuΔyμ=ΔuΔy

　　 式中:Δu为墙体达到极限荷载或极限荷载明显下降时对应的位移值; Δy为墙体屈服时对应的位移值。

　　 夯土墙的延性性能通过墙体从屈服至达到极限荷载过程中的变形能力来近似反映。本次模拟计算得到的各夯土墙体的延性系数如表5所示。

　　 不同构造措施夯土墙有限元模型延性情况 表5

模型 编号	极限位移 Δu/mm	屈服位移 Δy/mm	延性系数μ	提高幅度 /%
Q-0	2.78	1.21	2.30	—
Q-1	4.27	1.78	2.40	4.3
Q-2	5.79	1.82	3.18	38.3
Q-3	7.28	1.87	3.89	69.1
Q-4	7.86	1.84	4.27	85.7

 

　　  

　　 由表5可知,增加不同构造措施的夯土墙有限元模型的延性系数较只设圈梁的夯土墙均有所提高,其中设三道拉结筋且无圈梁的Q-4模型的延性系数提高程度最大,为85.7%。因此,在夯土墙中设置拉结筋可以明显改善其整体性,增强其延性及变形能力。

4 结论

　　 (1)在夯土墙中设置一定构造措施可以改善墙体的变形能力,增强墙体的耗能能力,提高墙体的抗震性能。

　　 (2)夯土墙中拉结筋的设置可以有效提高墙体的延性,增强墙体的整体性和变形耗能,进而提高墙体的抗震性能,但是不能显著提高墙体的水平承载力。

　　 (3)夯土墙的抗屈服及抗剪性能与墙体内的构造措施有关,不同构造措施对其影响程度不同。提出了顶部拉结筋可以代替混凝土圈梁,同时考虑施工繁简和成本,建议优先选择设置混凝土构造柱+三道拉结筋的组合措施来提高其抗震性能。