超轻保温水泥基加固既有RC框架结构性能提升的研究

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我国现存大量既有钢筋混凝土框架结构,不能满足现行规范的要求,这些既有结构服役数十年,存在结构劣化的问题,对抗震十分不利。且既有结构建造时未考虑保温措施,不能满足建筑节能的要求。如需对其进行性能提升,一般的做法是先加固再做保温。然而这种做法工期长,后粘保温板质量不能保证,切割保温板的碎屑还可能造成环境污染。如何快速实现既有老旧建筑的补强,同时又能提升保温性能,成为亟待解决的问题。本文使用空心玻璃微珠(Hollow Glass Microsphere,HGM)为轻骨料制备了一种超轻保温水泥基材料,研究了其基本力学性能和热工性能,并利用ABAQUS有限元分析软件,对超轻保温水泥基加固填充墙对钢筋混凝土(RC)框架结构抗震性能的影响进行研究。本文主要研究工作如下:(1)按照水胶比和微珠体积掺量变化,配置8组超轻保温水泥基材料,密度为1071kg/m3~1358kg/m3,对其进行力学性能试验,试验结果表明,材料抗压强度为35.2MPa~57.1MPa,HGM掺量越大,抗压强度越小,两者呈线性相关,试件的尺寸效应不明显;水胶比越大,强度越低,但强度受水胶比影响较小。试件抗拉强度为2.25MPa~3.09MPa,受拉极限应变为1.8%~2.85%,试件受拉呈现明显的应变硬化效应,变形能力较好。基于试验结果,建立了超轻保温水泥基材料的受拉本构方程用于后续的有限元分析。(2)测定了各组超轻保温水泥基材料的导热系数,配制的材料导热系数为0.193W/m·k~0.227W/m·k。HGM体积掺量越高,材料密度越低,导热系数越低,导热系数与材料表观密度和HGM体积掺量大致呈线性关系;水胶比越大,导热系数越低。利用的已有导热系数计算公式计算的结果与试验数据吻合较好。对比了实际工程中各类墙体的保温性能,结果表明,将超轻保温水泥基材料应用于结构中将大大提升建筑保温性能。(3)以前期试验的填充墙框架为对比模型,首先利用试验结果验证模型有效性,利用有限元软件建立满填填充墙框架加固模型进行抗震分析,加固方式考虑超轻保温水泥基面层厚度、尺寸等因素。通过对比模型及加固模型的水平低周反复抗震模拟,对模型的滞回曲线、骨架线、刚度退化曲线、特征值、耗能能力以及加固面层和填充墙应力变化进行对比,分析结果表明,加固后RC框架结构的初始刚度、峰值荷载、延性系数、耗能能力等方面均显著提高,条带加固耗能能力和延性最好,加固层越厚初始刚度越大,但加载后期模型刚度几乎相同。由于加固层的作用,填充墙应力降低。利用超轻保温水泥基材料对既有结构进行补强,可实现抗震性能和保温性能的同时提升。
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