不同框格形式密肋復(fù)合墻體抗震性能對比分析

成曉峰,姚謙峰,黃 煒,侯莉娜

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安710055)

0 引 言

密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)、高強、節(jié)能、抗震的建筑結(jié)構(gòu)新體系,此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合墻板是以截面及配筋較小的鋼筋混凝土為肋格,內(nèi)嵌以爐渣、粉煤灰等工業(yè)廢料為主要原料的加氣硅酸鹽砌塊(或其它具有一定強度的輕質(zhì)骨料)預(yù)制而成的。

一方面,墻板中砌塊與肋格共同工作,砌塊受到肋格的約束,加強肋又受到塊體的反約束,兩者相互作用、共同受力,充分發(fā)揮各自性能;另一方面,墻板與隱形框架整澆為一體,形成具有共同工作性能的增強復(fù)合墻體[1]。其主要優(yōu)點為施工工藝簡單、速度快、便于工廠裝配式制作。

影響密肋復(fù)合墻體抗震性能的因素很多,其中墻板中的框格形式對密肋復(fù)合墻體的承載力、延性、耗能能力、破壞模式、及變形能力會產(chǎn)生較明顯的影響。本文結(jié)合課題組前期的試驗,通過分析不同框格形式的密肋復(fù)合墻體各個抗震性能指標(biāo)以及破壞模式,得出框格對密肋復(fù)合墻體抗震性能的影響。

1 試驗簡介

1.1 試件的設(shè)計與制作

本次試驗共選試件14塊,為研究框格形式對密肋復(fù)合墻體的抗震性能的影響,本文著重分析五肋柱密肋復(fù)合墻體、標(biāo)準(zhǔn)密肋復(fù)合墻體及三肋柱密肋復(fù)合墻體,如圖1,表1所示。為了對比各個不同框格形式的密肋復(fù)合墻體抗震性能,本次試驗中各個試件模型縮尺比例為1/2,墻體尺寸及軸壓比選取均相同。即在相同尺寸墻體耗材基本相同的前提下,改變控制因素,研究其對墻體受力和各項抗震性能的影響。

圖1 變框格墻板示意圖

1.2 加載設(shè)備及加載制度

1.2.1 試驗裝置及設(shè)備

試驗裝置及設(shè)備如圖2所示。

利用安裝在反力墻上的液壓伺服作動器在墻體頂部施加水平荷載;豎向荷載通過千斤頂加載在分配梁上,經(jīng)過二次分配后,加載于墻體頂部暗梁上;為防止墻體發(fā)生平面外失穩(wěn),在墻體兩側(cè)設(shè)置側(cè)向支撐。

圖2 試驗加載裝置圖

表1 密肋復(fù)合墻體試件的設(shè)計

1.2.2 加載制度

本次試驗采取低周反復(fù)加載方案,豎載通過千斤頂加在分配梁上,經(jīng)二次分配后加在肋柱上;豎向穩(wěn)定后加水平荷載,水平荷載通過反力墻,借助液壓作動器對墻體頂部施加,水平荷載每級20 kN,每級循環(huán)一次,試件屈服后,以相同位移循環(huán)一次,此后用位移控制,每級循環(huán)三次直至破壞。

密肋復(fù)合墻體在水平與豎向荷載的共同作用下,始終處于彎、剪、壓復(fù)合受力狀態(tài),加之材料復(fù)雜性與砌塊、框格及外框的相互嵌套較為復(fù)雜,從而引起墻體的破壞形式也較為復(fù)雜。本文通過試驗現(xiàn)象研究,將墻體的破壞模式分為剪切型破壞和彎曲型破壞。

2.1 剪切型破壞[2]

經(jīng)試驗觀察發(fā)現(xiàn):SW6與SW5在破壞過程比較相近,現(xiàn)用SW6加以說明。SW6破壞過程中彈性階段、彈塑性階段與破壞階段各個階段表現(xiàn)較為明顯,其破壞過程各個階段的試驗現(xiàn)象如圖3所示。

圖3 SW6破壞過程圖

在彈性階段,墻板中砌塊出現(xiàn)少數(shù)微裂縫,肋梁、肋柱中無裂縫出現(xiàn)。此時墻體作為一個整體受力構(gòu)件,復(fù)合墻板與外框變形協(xié)調(diào),其力學(xué)性能可視為一種復(fù)合材料等效彈性板。彈塑性階段,砌塊中微裂縫發(fā)展加寬,隨著荷載增加,裂縫呈45°不斷延伸至肋梁、肋柱當(dāng)中,砌塊中出現(xiàn)較多交叉裂縫。此時可把框格中的砌塊等效為斜壓桿。破壞階段,砌塊破壞非常嚴(yán)重,墻體最終退化成僅由肋格和外框組成的純框架,此時的墻體作為密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)受力構(gòu)件已經(jīng)失效,但仍可以承擔(dān)全部的豎向荷載,具有良好的抗倒塌能力。最后隨著受壓側(cè)邊框柱混凝土壓碎,受拉側(cè)鋼筋拉斷,此時試驗結(jié)束。

2.2 彎曲型破壞[3]

SW12在破壞過程中其彈性階段、彈塑性階段和破壞階段區(qū)分并不明顯。

彈性階段,墻板與外框變形協(xié)調(diào),作為整體進行受力,內(nèi)砌塊與框格中剪切斜裂縫分布均勻且細(xì)小;彈塑性階段和破壞階段區(qū)別并不明顯,繼續(xù)加載時,砌塊中的裂縫延伸至肋梁、肋柱當(dāng)中。墻體中肋梁、肋柱和連接柱中鋼筋沒有屈服,而受拉邊框柱上水平裂縫分布均勻,基本貫穿整個截面。墻體的破壞以外框柱的拉壓破壞為主,表現(xiàn)為受拉邊框柱縱筋達到屈服,受壓邊框柱腳混凝土壓碎、鋼筋屈服[4]。表明墻體的邊框柱主要承擔(dān)彎矩作用。

2.3 破壞模式的對比分析

(1)由于墻體SW5、SW6中的墻板與外框剛度之比相對較小,在水平荷載作用下,破壞過程按照“砌塊-肋梁、肋柱-外框柱”的順序依次發(fā)揮主導(dǎo)作用,這樣相當(dāng)墻體具有多道抗震防線[5],屬于有利的“強柱弱板”型剪切破壞。

(2)由于墻體SW12中的墻板與外框剛度之比相對較大,在水平荷載作用下,墻板幾乎不發(fā)生明顯破壞,而外框柱先于墻板在柱腳處無征兆地發(fā)生拉壓破壞,外框柱底受拉區(qū)鋼筋屈服直至破壞,同時,外框柱底受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)部分壓碎現(xiàn)象;最后在墻體底部錨接處形成一條沿墻底方向的剪切薄弱面,反復(fù)荷載的作用下,墻體底部的水平抗剪面積越來越小,剪切摩擦條件不斷惡化,最終沿這個水平面出現(xiàn)大量滑移而破壞。屬于不利的彎曲型破壞見圖4。

圖4 彎曲型破壞示意圖

3 密肋復(fù)合墻體抗震性能對比分析

3.1 滯回性能及骨架曲線

通過三個墻體的滯回曲線(見圖5)可以發(fā)現(xiàn):

(1)SW5與SW6滯回曲線較為接近;彈性階段時,荷載與位移呈線性關(guān)系,荷載繼續(xù)增大,進入彈塑性階段,滯回曲線漸漸呈梭形,滯回環(huán)的面積也增大,水平荷載到達屈服荷載時,位移增大速度很快,滯回環(huán)面積更加飽滿;最后水平荷載達到最大荷載時,邊框柱鋼筋被拉斷,剛度衰減速度較快,墻體破壞較快。

圖5 密肋復(fù)合墻體的滯回曲線

(2)SW12處于彈性階段時,荷載與位移呈線性關(guān)系;當(dāng)荷載加至開裂荷載時,荷載—位移曲線開始向下彎折;隨著荷載不斷增加,裂縫逐漸增多,剛度略有下降;水平荷載加至最大荷載時,剛度退化現(xiàn)象明顯,試件塑性變形顯著,滯回環(huán)面積不斷增大;當(dāng)以位移控制循環(huán)時,承載力衰減很快,剛度退化明顯,滯回環(huán)面積增加不多,說明外框架柱底縱筋屈服后墻體的耗能能力較差;最后,墻體因底部沿剪切薄弱面出現(xiàn)大量滑移而破壞。整個加載—卸載過程,構(gòu)件的承載力、變形、延性、耗能能力均低于SW5和SW6,破壞后期穩(wěn)定性較差[6]。

將滯回曲線各加載等級第一循環(huán)的峰值點所連成的包絡(luò)線按照絕對值取平均的原則在第一象限迭加所得到的曲線,即為骨架曲線(圖6)。

從各個密肋復(fù)合墻體的骨架曲線可知:

(1)密肋復(fù)合墻體均經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。

(2)密肋復(fù)合墻體SW12較密肋復(fù)合墻體SW6和SW5后期承載力下降速度更陡,破壞較為突然,即SW12為彎曲型破壞。

圖6 三個密肋復(fù)合墻體的骨架曲線

3.2 承載力、延性及變形能力

試件的主要抗震性能指標(biāo)[7]如表2所示。①墻體極限承載力,以試驗中實測值為準(zhǔn),并取正反兩個加載方向上極限荷載絕對值的平均值。②延性,以位移延性系數(shù)[8]衡量,指構(gòu)件超過彈性變形后的變形能力。設(shè)Δy為結(jié)構(gòu)的屈服位移,Δw為結(jié)構(gòu)的極限位移,則結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)為:μ=Δu/Δy。③變形性能,用極限屈服位移角θ衡量,它是結(jié)構(gòu)的有效水平位移Δu與試件高度h的比值。它也是抗震性能的一個重要指標(biāo)。

表2 密肋復(fù)合墻體主要抗震性能指標(biāo)

通過表2,可得到如下規(guī)律:

(1)若墻體發(fā)生的是剪切型破壞,則肋柱數(shù)量多的墻體的承載力大于肋柱數(shù)量少的墻體,延性則相反,肋柱數(shù)量少的墻體的延性及變形能力大于肋柱多的墻體。

(2)發(fā)生彎曲型破壞的密肋復(fù)合墻體的承載力、延性及變形能力均小于發(fā)生剪切型破壞的密肋復(fù)合墻體。

3.3 耗能能力

等效粘滯阻尼系數(shù)[9]是判斷結(jié)構(gòu)耗能能力大小的一個重要標(biāo)志,阻尼系數(shù)越大,則試件的耗能能力越好。

表3 墻體在不同階段的等效粘滯阻尼系數(shù)he(%)

表3給出了各個墻體在不同階段的等效粘滯阻尼系數(shù)?？梢钥闯?

(1)隨著水平荷載的增加,墻體的等效粘滯阻尼系數(shù)不斷增大,但增大率逐步減小。

(2)框格的分布形式影響墻體等效粘滯阻尼系數(shù);由于SW12為5道肋柱,墻體抗側(cè)剛度較大,外框先于墻板破壞[10],即墻板幾乎沒有起到耗能作用,故耗能能力較弱,而SW5、SW6均發(fā)生剪切型破壞,砌塊、墻板、外框依次發(fā)生破壞,即三者均參與耗能,相比較SW12而言,SW5、SW6耗能能力較強。由此說明,剛度大的墻體耗能能力較弱。

4 結(jié) 論

(1)不同框格形式的密肋復(fù)合墻體在低周反復(fù)試驗中可能會導(dǎo)致不同的破壞模式,墻板與外框的剛度比是非常重要的影響因素,在設(shè)計與制作墻體時,若墻板肋柱數(shù)量設(shè)置過多,使其與外框的剛度比過大,則形成“強板弱柱”式的墻體,較快時間內(nèi)從外框破壞,形成不利的彎曲型或彎曲型破壞模式。若肋柱數(shù)量設(shè)置適中或較少,則形成“強柱弱板”式的墻體,砌塊、框格、外框依次發(fā)生破壞,形成有利的剪切型破壞模式。

(2)若墻體均發(fā)生剪切破壞,肋柱數(shù)量較多的墻體承載力較大,而延性、變形能力及耗能能力較小。

(3)發(fā)生剪切型破壞的墻體的承載力、延性、變形能力及耗能能力均大于發(fā)生彎曲型破壞的墻體。

[1]姚謙峰,陳平,等.密肋壁板輕框結(jié)構(gòu)節(jié)能住宅體系研究[J].工業(yè)建筑,2003,33(1):1-5.

[2]黃煒,姚謙峰,章宇明,等.密肋復(fù)合墻體抗震性能及設(shè)計理論研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報,2005,37(1):29-34.

[3]黃煒,姚謙峰,等.加外框密肋復(fù)合墻板抗震性能研究[J].工業(yè)建筑,2003,33(1),7-9.

[4]姚謙峰,吳芳,等.密肋復(fù)合雙片墻體的受力性能研究[J].工業(yè)建筑,2008,38(1):31-35.

[5]黃煒,陳國新,姚謙峰.密肋復(fù)合墻體在擬動力試驗下的抗震性能研究[J].振動與沖擊,2007,26(3):49-54.

[6]姚謙峰,陳平.土木工程結(jié)構(gòu)試驗[M].中國建筑工業(yè)出版社,2001.

[7]姚謙峰,黃煒,田 杰.密肋復(fù)合墻體受力機理及抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2004,25(6):67-74.

[8]田英俠.密肋復(fù)合墻板受力性能試驗研究與理論分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2002:25-32.

[9]Xiangdong Tong,Jerome F.Hajjar,Arturo E.Schultz and Carol K.Shield.Cyclic behavior of steel frame structures with composite reinforced concrete infill walls and partially-restrained connections[J].Journal of Constructional Steel Research,2005,1(4):531-552.

[10]黃 煒.密肋復(fù)合墻體抗震性能及設(shè)計理論研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2004:16-35.