CN110593442A - 一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，在砌体填充墙的水平砌块灰缝中铺设薄层柔性材料；对于无洞口的墙体在中间或间隔一定间距砌体墙砌块灰缝中铺设水平铺设；在有窗洞口的墙体中，在窗洞口上下方砌体墙砌块灰缝中铺设；在设有门窗洞口的墙体中，在门窗洞上下方砌体墙砌块灰缝中铺设；在设有门洞口的墙体中，在门洞上方砌体墙砌块灰缝中铺设。内部砌体填充墙体可随外部框架产生相同的变形，墙体在一定强度地震作用下无损伤或轻微损伤，同时填充墙体可减小结构的残余变形，提高结构的变形可恢复能力，且施工简便，具备良好的经济和施工性能。
Description
技术领域
本发明属于建筑技术领域，具体涉及一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法。
背景技术
我国是地震多发国家之一，框架填充墙结构是广泛应用的建筑结构形式，填充墙仅作为分隔构件，需具有自重轻、保温隔热效果好、隔音性好等特点，轻质砌体材料作为框架填充墙材料被广泛应用。地震作用时，由于外部框架变形，内部轻质砌体填充墙受到外部框架的变形，形成“斜撑”区域。由于轻质砌体填充墙孔洞率大、强度较低等在地震作用下易于破坏，严重影响居住者的使用性能，造成巨大的经济和社会损失。另一方面，填充墙的破坏影响了多遇或设防地震作用下结构的可修复性能。目前，可恢复结构体系研究成为热点，涉及到不同材料、结构类型。特别是对钢筋混凝土框架结构研究甚多，目前还没有关于与可恢复框架相适应的填充墙。在可恢复框架结构体系中，对内部的填充墙要求在一定强度地震作用下无损伤或轻微损伤；填充墙体可减小结构的残余变形，提高结构的变形可恢复能力。
既有关于减少地震作用下砌体填充墙体破坏程度的研究思路主要是从加强或改进结构材料及构造措施两方面入手。材料改进研究方面可采用减震砂浆、钢纤维砂浆、橡胶或泡沫混凝土砌块、树脂复合材料等；构造改进研究方面主要有设置洞口、增设钢板墙、增设耗能或阻尼装置、填充墙与外部框架脱开等措施。材料改进方面目前由于造价较高，专业化生产程度低，无法在规模应用；目前构造措施方面增设钢板墙会造成结构破坏模式的改变，导致地震作用下外部受力框架先于填充墙发生破坏；填充墙与外部框架脱开会造成填充墙防水、保温等性能降低，影响使用，此外施工不便，经济性较差。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法。所述建造方法包括以下步骤：
步骤1：浇筑建造受力的框架柱、框架梁；
步骤2：砌筑砌体填充墙体底部段；
步骤3：铺设薄层柔性材料；
步骤4：继续砌筑砌体填充墙体顶部段；
步骤5：完成砌体填充墙顶部斜砌段的施工。
优选的，当建造的是无洞口的墙体时，步骤3在砌筑砌体填充墙体底部段砌体上部水平平铺薄层柔性材料，在薄层柔性材料上方继续砌筑砌体填充墙体中部段，在砌筑砌体填充墙体中部段砌体上部水平平铺薄层柔性材料。
优选的，当建造的是带窗洞口的墙体时，步骤3在砌筑砌体填充墙体底部段砌体上部水平平铺薄层柔性材料，在薄层柔性材料上方预留窗洞口，砌筑窗洞两侧砌体的填充墙体中部段，在砌筑砌体填充墙体中部段及窗洞上方砌体上部水平平铺薄层柔性材料。
优选的，当建造的是带门洞口的墙体时，步骤2在预留门洞、砌筑门洞两侧的砌体填充墙体底部段；步骤3在砌筑砌体填充墙体底部段砌体上部、门洞上方水平平铺薄层柔性材料，在薄层柔性材料上方砌筑砌体的填充墙体中部段。
优选的，当建造的是带门窗洞口的墙体时，步骤2预留门洞，砌筑门洞两侧及窗洞下方的砌体填充墙体底部段；步骤3在砌体填充墙体底部段窗洞下方砌体上部水平平铺薄层柔性材料，预留窗洞，完成窗窗洞两侧的砌体填充墙体底部段的施工，至门洞顶，在门洞顶部砌体上部水平平铺薄层柔性材料，砌筑门洞顶部、窗洞两侧的砌体，直至窗洞顶部，在窗洞顶部砌体上部水平平铺薄层柔性材料。
优选的，当建造的是无洞口的墙体时，在砌体填充墙中间或间隔一定间距砌体墙体水平灰缝中水平铺设若干层，薄层之间的间距是0.5-1.5米。
优选的，步骤3所述的薄层柔性材料选用以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜材料为覆面材料制成可卷曲的片状材料。
优选的，所述薄层柔性材料的厚度3-5mm。
优选的，所述薄层柔性材料由沥青、石英砂、石墨烯、钛白粉、三元乙丙橡胶、聚酰胺酸树脂、苯丙乳液、氯丁橡胶、玻璃纤维、氧化铁、乙烯-醋酸乙烯共聚物混合制成，按重量份，每份含所述沥青13％、石英砂3％、石墨烯2％、钛白粉3％、三元乙丙橡胶15％、聚酰胺酸树脂15％、苯丙乳液5％、氯丁橡胶25％、玻璃纤维15％、氧化铁3％、乙烯-醋酸乙烯共聚物1％。
作为改进，所述薄层柔性材料采用“H”型钢板替代。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：当结构受到地震作用时，内部砌体填充墙体可随外部框架产生相同的变形，墙体在一定强度地震作用下无损伤或轻微损伤，同时填充墙体可减小结构的残余变形，提高结构的变形可恢复能力，且施工简便，具备良好的经济和施工性能。
附图说明
图1为无洞口的墙体建造示意图。
图2为无洞口的墙体建造A-A方向的截面图。
图3为带窗洞口的墙体建造示意图。
图4为带窗洞口的墙体建造B-B方向的截面图。
图5为带门洞口的墙体建造示意图。
图6为带门洞口的墙体建造C-C方向的截面图。
图7为带门窗洞口的墙体建造示意图。
图8为带门窗洞口的墙体建造D-D方向的截面图。
图9为带门窗洞口的墙体建造E-E方向的截面图。
图10是传统刚性连接的轻质砌体填充框架试件FIW-1。
图11是薄层柔性材料的轻质砌体填充墙框架试件FIW-2。
图12是两组试件的内部钢筋布置。
图13是试验中采用的墙体填充材料为240×200×110mm的轻质页岩空心砖。
图14(a)是试件FIW-1填充墙剥落压碎图，图14(b)是试件FIW-1填充墙剥落压碎图。
图(15)是两组试件填充墙破坏率ρ的变化曲线。
图(16)是两组试件在各级层间位移角下的残余变形曲线。
图(17)是填充墙模型平面外加载制度曲线。
图(18)是填充墙模型平面外加载图。
图(19)是模型墙体平面外荷载—位移曲线。
图(20)是“H”型钢板的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
如图1-9所示，具体做法如下：
1、无洞口的墙体建造方法：
(1)浇筑建造受力的框架柱(1A)、框架梁(1B)；
(2)砌筑砌体填充墙体底部段(3A)；
(3)在砌筑砌体填充墙体底部段(3A)砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2A)，薄层柔性材料可采用以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜材料为覆面材料制成的片状材料等，厚度3-5mm，宽度同砌体墙宽。在薄层柔性材料(2A)上方继续砌筑砌体填充墙体中部段(3B)；在砌筑砌体填充墙体中部段(3B)砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2B)；
(4)在薄层柔性材料(2B)上方继续砌筑砌体填充墙体顶部段(3C)；
(5)完成砌体填充墙顶部斜砌段(3D)的施工。
2、带窗洞口的墙体建造方法：
(1)浇筑建造受力的框架柱(1A)、框架梁(1B)；
(2)砌筑砌体填充墙体底部段(3A)；
(3)在砌筑砌体填充墙体底部段(3A)砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2A)，薄层柔性材料可采用以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜材料为覆面材料制成的片状材料等，厚度3-5mm，宽度同砌体墙宽。在薄层柔性材料(2A)上方预留窗洞口(4)、砌筑窗洞两侧砌体的填充墙体中部段(3B)；在砌筑砌体填充墙体中部段(3B)及窗洞(4)上方砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2B)；
(4)在薄层柔性材料(2B)上方继续砌筑砌体填充墙体顶部段(3C)；
(5)完成砌体填充墙顶部斜砌段(3D)的施工。
3、带门洞口的墙体建造方法：
(1)浇筑建造受力的框架柱(1A)、框架梁(1B)；
(2)预留门洞(5)、砌筑门洞两侧的砌体填充墙体底部段(3A)；
(3)在砌筑砌体填充墙体底部段(3A)砌体上部、门洞(5)上方水平平铺薄层柔性材料(2A)，薄层柔性材料可采用以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜材料为覆面材料制成的片状材料等，厚度3-5mm，宽度同砌体墙宽。在薄层柔性材料(2A)上方砌筑砌体的填充墙体中部段(3B)；
(4)在砌体填充墙体中部段(3B)上方砌筑砌体填充墙体顶部段(3C)；
(5)完成砌体填充墙顶部斜砌段(3D)的施工。
4、带门窗洞口的墙体建造方法：
(1)浇筑建造受力的框架柱(1A)、框架梁(1B)；
(2)预留门洞(5)、砌筑门洞(5)两侧及窗洞(4)下方的砌体填充墙体底部段(3A)；
(3)在砌体填充墙体底部段窗洞下方(3A)砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2A)，薄层柔性材料可采用以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜材料为覆面材料制成的片状材料等，厚度3-5mm，宽度同砌体墙宽。预留窗洞(4)，完成窗窗洞(4)两侧的砌体填充墙体底部段(3B)的施工，至门洞(5)顶；在门洞(5)顶部砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2B)；砌筑门洞(5)顶部、窗洞(4)两侧的砌体(3C)，直至窗洞(4)顶部；在窗洞(4)顶部砌体上部水平平铺薄层柔性材料(2C)；
(4)在薄层柔性材料(2C)上方继续砌筑砌体填充墙体顶部段(3D)；
(5)完成砌体填充墙顶部斜砌段(3E)的施工。
实验描述：
试验设计了两组对比试件，一组为传统刚性连接的轻质砌体填充框架试件，一组为铺设了两层3mm厚的薄层柔性材料填充墙框架试件，分别命名为FIW-1和FIW-2，如图10-11所示。
如图12-13所示，两组试件的梁板柱均采用C30混凝土浇筑，其中框架柱截面尺寸为400×400mm，板的宽度和厚度分别为1000mm和100mm，梁截面尺寸为200×450mm。两试件所采用的受力筋及箍筋分别为HRB335和HPB300钢筋，受力钢筋直径为16mm，两组试件配筋率和轴压比相同，轴压比为0.25。试验中采用的墙体填充材料为240×200×110mm的轻质页岩空心砖，砌筑墙体时所采用的砂浆为混合砂浆，两组试件均在同一批次施工浇筑。填充墙体与框架柱之间采用HPB300的拉结筋按照竖向每隔500mm的间距进行布置。试件相关参数如表1、表2所示。
表1配筋信息
Tab.1Specimen reinforcement
表2试件材料信息
Tab.2Material properties of specimens
两组试件基础锚固于地面，水平力通过水平液压千斤顶施加于顶部框架梁端处。轴向压力通过竖向千斤顶施加于框架柱上，在水平加载过程中，竖向千斤顶保持恒定压力，竖向千斤顶与支部钢梁间设有可滚动滑轮，保证试件受到水平侧向力时可沿水平方向滑动。
试验通过拟静力的试验加载方法对两组试件进行地震模拟试验，观察和记录试件的破坏过程，获得相关试验数据。拟静力试验的本质是一种低周反复加载试验，加载控制往往是以荷载、位移为主。此次试验填充墙开裂前以力加载控制，每级加载一次直至出现裂缝，此后以位移加载，此时以位移为控制指标来对模型进行分级循环加载，按层间位移角进行控制，位移级数为12级，每级位移循环3次，位移加载从层间位移角R＝0.25％开始，每级增加0.25％直至层间位移角达到2％，超过2％以后，以0.5％为增量增加。当试件达到最大的加载的层间位移角4％或不能够承受竖向荷载或其它不安全及不稳定现象出现时，加载停止。
实验现象：试验过程中两组试件依次呈现裂缝开展、墙体剥落压碎、框架梁端压溃的过程，最终形成“强柱弱梁”的破坏模式。针对墙体剥落压碎的差异主要为，随着加载的层间位移角不断增大，填充墙开始出现墙面剥落和压碎的现象，当层间位移角达到0.25％时，试件FIW-1填充墙出现首块空心砖表面剥落和压碎的现象；而当层间位移角达到0.75％时试件FIW-2才出现首块空心砖表面剥落；两组试件的剥落形态以及剥落部位也不尽相同，试件FIW-1的剥落部位主要位于墙体中部，并表现出不断向角部延伸的趋势，破坏呈“X”状，剥落面积较大；试件FIW-2剥落的部位主要位于被滑移层水平分割的三块墙体的端角部，剥落面积较小，当层间位移角R＝2％时，两试件填充墙的剥落压碎如图14(a)和图14(b)所示。
为了衡量填充墙的破坏程度，定义填充墙破坏率ρ为：
ρ＝Acp/A (1)
式中：Acp为任一侧填充墙体中表面剥落、压碎或塌落砌块的竖向表面积的和，当砌块两侧均出现破坏时仅计一侧的面积；A为填充墙一侧的竖向表面积。经计算，两试件在不同加载阶段的填充墙破坏率ρ的变化如图15所示。
残余变形可反应构件可恢复能力，两组试件在各级层间位移角下的残余变形如图16所示，横坐标为层间位移角，纵坐标为残余变形与高度的比值。
表3本发明与传统的砌体填充墙的破坏及残余变形计算结果
上述表明：与传统刚性砌体填充框架相比，本发明的铺设薄层柔性材料)的砌体填充框架的填充墙破坏率降低了93.1％以上。残余变形在层间位移角大于0.5％时，残余变形降低了26.7％以上。这是由于本发明(铺设薄层柔性材料)的砌体填充框架在水平地震作用下，水平铺设的柔性材料将内部砌体填充墙水平分割的三块墙体，在加载时呈明显的相互滑动，可自适应框架变形，当外界荷载卸载时，墙体随框架变形自我恢复，结构整体破坏非常小，填充墙破坏率降低了93.1％以上，残余变形降低了26.7％以上。
上述薄层柔性材料间距约为1米，这种既能保证砌体能相互滑动，减小填充墙的破坏，又能够不降低砌体填充墙的平面外稳定性，采用数值模拟技术表明，平面外稳定性降低很小，完全能够满足填充墙体抗平面稳定性要求，同时，也能很好的方便施工，成本无增加，经济性显著。
模型的建立与加载
为了进一步了解试件平面外的性能，开展了该试验的数值模拟研究。本次数值模拟研究采用了ABAQUS交互式有限元分析软件来对试验墙体平面外性能的模拟研究，在ABAQUS分析平台上采用人机交互的方式来进行试验模型的建立，采用C3D8R实体单元来模拟混凝土、砌块等，其中混凝土材料的本构关系由《混凝土结构设计规范》附录C确定，对于砌块本模型中拟采用砂浆与砌体的组合砌块形式，其本构关系由公式：
式中σ为压应力，ε为压应变，fm为平均抗压强度，ε0为平均压应变。对于模型中钢筋材料采用B31梁单元来进行模拟，材料本构则采用《混凝土结构设计规范》附录C中建议的关系式来确定。平面外荷载将以均布荷载的形式施加与填充墙整体面外方向，加载制度如图17所示，模型平面外加载图示如图18所示。
试件FIW-1与FIW-2模拟结果如图19所示。
结果分析与比较
传统试件FIW-1承受平面外极限荷载为43.2kPa，增设薄层材料墙体平面外的极限承载为36Pa，通过对以上试件FIW-1与FIW-2对比发现试件FIW-2相比于FIW-1的平面外承载力降低了16.7％，说明当内部增设薄层材料后，填充墙虽然在平面内荷载作用下具有更好的耗能能力及可恢复能力，而承受平面外荷载的能力降低。然而，根据《建筑抗震设计规范》13.2.3条，等效侧力计算式为:
F＝γηζ1ζ2αmaxG
式中，F为沿最不利方向施加于非结构构件重心处的水平地震作用标准值。γ为非结构构件功能系数，按规范要求取值为1.4。η为非结构构件类别系数，按规范要求取值为0.9。ζ1、ζ2分别为状态系数和位置系数，按规范要求分别取最不利考虑，取值为1.0,和2.0。αmax为地震影响系数最大值；按规范要求，多遇地震设防7、8、9度设防分别0.08、0.16、0.32；罕遇地震设防7、8、9度设防分别0.50、0.90、1.40。G为非结构构件的重力，填充墙采用轻质材料，按10kN/m3计。
采用等效侧力法计算设防烈度7、8、9时增设薄层材料墙体(FIW-2试件)的平面外承载的需求力F，然后再将计算的需求力F除以墙体的竖向表面积A，得到增设薄层材料后墙体在不同设防烈度下需求的均布压力值F/A，并与数值计算获得的极限承载力进行比较，见下表4所示。
表4平面外承载力计算表
由表可知，增设薄层材料后，试件FIW-2相比于FIW-1的平面外承载力降低了16.7％，但通过等效侧力法计算设防烈度7、8、9时墙体需求的荷载可知，极限荷载与需求值的比值远大于1.0，即使在设防烈度9度时，遭遇罕遇地震时，极限荷载与需求值仍达到4以上，可见，增设薄层材料墙体的平面外承载能力满足要求。
优选的，所述薄层柔性材料由沥青、石英砂、石墨烯、钛白粉、三元乙丙橡胶、聚酰胺酸树脂、苯丙乳液、氯丁橡胶、玻璃纤维、氧化铁、乙烯-醋酸乙烯共聚物混合制成，按重量份，每份含所述沥青13％、石英砂3％、石墨烯2％、钛白粉3％、三元乙丙橡胶15％、聚酰胺酸树脂15％、苯丙乳液5％、氯丁橡胶25％、玻璃纤维15％、氧化铁3％、乙烯-醋酸乙烯共聚物1％。该组分制得的薄层柔性材料的柔性高，且材料的韧性高，不易撕裂。
作为改进，所述薄层柔性材料采用“H”型钢板替代。作为本发明的另一种改进，采用如图20的结构，砌块在“H”型钢板的上下槽中能够左右滑动，从而减少震动后的破碎面积，前后方向也起到固定作用。表5对比了“H”型钢板与薄层柔性材料两种填充墙的平面内破坏率和平面外承载力的结果。
表5本发明“H”型钢板填充墙相关试验和计算结果
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：所述建造方法包括以下步骤：
步骤1：浇筑建造受力的框架柱、框架梁；
步骤2：砌筑砌体填充墙体底部段；
步骤3：铺设薄层柔性材料；
步骤4：继续砌筑砌体填充墙体顶部段；
步骤5：完成砌体填充墙顶部斜砌段的施工。
2.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：当建造的是无洞口的墙体时，步骤3在砌筑砌体填充墙体底部段砌体上部水平平铺薄层柔性材料，在薄层柔性材料上方继续砌筑砌体填充墙体中部段，在砌筑砌体填充墙体中部段砌体上部水平平铺薄层柔性材料。
3.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：当建造的是带窗洞口的墙体时，步骤3在砌筑砌体填充墙体底部段砌体上部水平平铺薄层柔性材料，在薄层柔性材料上方预留窗洞口，砌筑窗洞两侧砌体的填充墙体中部段，在砌筑砌体填充墙体中部段及窗洞上方砌体上部水平平铺薄层柔性材料。
4.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：当建造的是带门洞口的墙体时，步骤2在预留门洞、砌筑门洞两侧的砌体填充墙体底部段；步骤3在砌筑砌体填充墙体底部段砌体上部、门洞上方水平平铺薄层柔性材料，在薄层柔性材料上方砌筑砌体的填充墙体中部段。
5.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：当建造的是带门窗洞口的墙体时，步骤2预留门洞，砌筑门洞两侧及窗洞下方的砌体填充墙体底部段；步骤3在砌体填充墙体底部段窗洞下方砌体上部水平平铺薄层柔性材料，预留窗洞，完成窗窗洞两侧的砌体填充墙体底部段的施工，至门洞顶，在门洞顶部砌体上部水平平铺薄层柔性材料，砌筑门洞顶部、窗洞两侧的砌体，直至窗洞顶部，在窗洞顶部砌体上部水平平铺薄层柔性材料。
6.根据权利要求2所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，当建造的是无洞口的墙体时，在砌体填充墙中间或间隔一定间距砌体墙体水平灰缝中水平铺设多层，薄层之间的间距是0.5-1.5米。
7.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：步骤3所述的薄层柔性材料选用以合成高分子聚合物改性沥青为涂盖层，纤维织物或纤维毡为胎体，粉状、粒状、片状或薄膜材料为覆面材料制成可卷曲的片状材料。
8.根据权利要求6所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：所述薄层柔性材料的厚度3-5mm。
9.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：所述薄层柔性材料由沥青、石英砂、石墨烯、钛白粉、三元乙丙橡胶、聚酰胺酸树脂、苯丙乳液、氯丁橡胶、玻璃纤维、氧化铁、乙烯-醋酸乙烯共聚物混合制成，按重量份，每份含所述沥青13％、石英砂3％、石墨烯2％、钛白粉3％、三元乙丙橡胶15％、聚酰胺酸树脂15％、苯丙乳液5％、氯丁橡胶25％、玻璃纤维15％、氧化铁3％、乙烯-醋酸乙烯共聚物1％。
10.根据权利要求1所述的一种自适应外部框架变形的砌体填充墙的建造方法，其特征在于：所述薄层柔性材料采用“H”型钢板替代。
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