高寬比對(duì)密肋復(fù)合墻抗震性能的影響

郭 猛， 袁 泉， 錢 坤

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院， 北京 100013； 2.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

高寬比是影響剪力墻破壞形態(tài)和抗震性能的重要因素之一，對(duì)于剪力墻抗震性能受高寬比的影響，國(guó)內(nèi)外很多科研單位進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。一般研究認(rèn)為，對(duì)于承受水平荷載作用的普通混凝土剪力墻，高寬比大于2.0的剪力墻以受彎為主，發(fā)生彎曲破壞，高寬比小于1.0的剪力墻以受剪為主，發(fā)生剪切破壞，在1.0至2.0之間的剪力墻則多以彎剪混合受力為主[1,2]；文獻(xiàn)[3，4]在11片高寬比為1.0～1.5的混凝土墻體模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究較小高寬比混凝土墻的破壞機(jī)理及抗震性能，并提出墻體底部塑性鉸區(qū)長(zhǎng)度的計(jì)算方法；文獻(xiàn)[5]研究了高寬比對(duì)摻加聚丙烯纖維和鋼纖維高性能混凝土墻抗震性能的影響，并與普通混凝土墻進(jìn)行了對(duì)比分析；除了混凝土墻外，文獻(xiàn)[6]通過(guò)模型試驗(yàn)研究了高寬比對(duì)于石墻砌體剪力墻抗剪承載力的影響；文獻(xiàn)[7]研究了高寬比1.5～2.2的配筋砌體剪力墻的承載力、延性等抗震性能。上述研究成果為相關(guān)規(guī)范和工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

密肋復(fù)合墻是密肋結(jié)構(gòu)體系的主要承重與抗側(cè)力構(gòu)件[8～12]，其是以鋼筋混凝土和輕質(zhì)填充砌塊組合在一起形成的一種網(wǎng)格式抗震墻[13]，構(gòu)造形式如圖1所示。密肋復(fù)合墻中，截面較小的鋼筋混凝土梁柱分布于輕質(zhì)砌塊墻體中，RC梁柱和填充砌塊變形協(xié)調(diào)，共同受力，可以充分發(fā)揮填充砌塊的抗壓能力；然而，多種材料及層層嵌套方式?jīng)Q定了該類墻體的受力性能及其影響因素較傳統(tǒng)混凝土墻、砌體墻等勻質(zhì)材性實(shí)體墻更為復(fù)雜，所受的影響因素更多。

圖1 密肋復(fù)合墻

對(duì)于密肋復(fù)合墻而言，由于工程中墻體框格的截面尺寸及布置形式較為固定，高寬比實(shí)際上是一個(gè)綜合反應(yīng)框格(肋梁、肋柱)布置形式的參數(shù)。研究高寬比對(duì)密肋復(fù)合墻抗震性能的影響，即涵蓋了不同框格布置、不同肋梁肋柱數(shù)量對(duì)密肋復(fù)合墻抗震性能的影響。本文根據(jù)課題組前期所做的數(shù)批次密肋復(fù)合墻試驗(yàn)結(jié)果，首次專注于探討高寬比對(duì)密肋復(fù)合墻破壞形態(tài)及承載力、剛度、延性等抗震性能的影響規(guī)律，并與混凝土剪力墻進(jìn)行對(duì)比分析，以期為不同高寬比密肋復(fù)合墻體的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 變高寬比密肋復(fù)合墻試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

對(duì)于密肋復(fù)合墻體抗震性能方面的研究，課題組先后進(jìn)行了六十余片不同比例、不同層數(shù)墻體模型低周反復(fù)加載試驗(yàn)及擬動(dòng)力試驗(yàn)。本文選取2組共7片密肋復(fù)合墻試件，對(duì)高寬比影響密肋復(fù)合墻抗震性能的規(guī)律進(jìn)行研究，試件設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。以試件Mgw3為例，其截面及配筋如圖2所示。

表1 密肋復(fù)合墻體試件設(shè)計(jì)

圖2 Mgw3截面尺寸及配筋

表1中，Mgw1～Mgw4為第一組，均為RC框格復(fù)合墻，試件高度相同但長(zhǎng)度不同，用于比較相同高度下高寬比由0.52增加至2.33時(shí)墻體抗震性能的變化情況；Mgw5～Mgw7為第二組，均為SRC邊框柱密肋復(fù)合墻，用于比較高寬比由1.03增加至2.91時(shí)墻體抗震性能的變化情況。

1.2 加載方式

試驗(yàn)加載均為低周反復(fù)加載。豎向壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值為0.78 N/mm2，根據(jù)試件大小換算為相應(yīng)豎向荷載后，通過(guò)千斤頂加在分配梁上，經(jīng)二次分配后加在邊框柱與肋柱上，豎向荷載穩(wěn)定后開(kāi)始水平加載。水平荷載通過(guò)反力墻，借助液壓作動(dòng)器對(duì)墻體頂部施加。試件屈服前采用荷載控制，屈服后采用位移控制，位移增量按預(yù)計(jì)屈服荷載對(duì)應(yīng)位移的倍數(shù)遞增，每級(jí)循環(huán)3次，直至試件破壞。

本文僅就對(duì)后述研究工作有關(guān)的試驗(yàn)情況進(jìn)行描述與分析，對(duì)于上述試件試驗(yàn)的詳細(xì)報(bào)道分別參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]～[12]。

2 高寬比對(duì)密肋復(fù)合墻抗震性能的影響分析

2.1 試件主要破壞過(guò)程及特點(diǎn)

試件Mgw1～Mgw7破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的裂縫狀況及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示，主要破壞過(guò)程概括為：水平荷載達(dá)到極限荷載的40%之前，密肋復(fù)合墻表現(xiàn)為彈性，肋梁肋柱中沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，砌塊中出現(xiàn)少數(shù)微裂縫；荷載達(dá)到極限荷載的60%～70%時(shí)，肋梁肋柱端部出現(xiàn)了斜裂縫，受拉區(qū)外框柱腳部出現(xiàn)水平裂縫且逐步延伸；當(dāng)水平荷載達(dá)到極限荷載的80%～90%時(shí)，砌塊破壞情況加重，開(kāi)始出現(xiàn)剝落；極限荷載階段及位移控制循環(huán)階段，

圖3 密肋復(fù)合墻破壞

墻體出現(xiàn)一定的剪切滑移變形，砌塊剝落現(xiàn)象嚴(yán)重，肋梁端部出現(xiàn)多處塑性鉸區(qū)；最終邊框柱底部混凝土壓碎，填充砌塊失去承載力，肋梁鋼筋屈服或者拉斷，試件破壞，試驗(yàn)加載結(jié)束。

分析圖3及密肋復(fù)合墻的破壞過(guò)程可知，本文所選的7片不同高寬比試件(高寬比為0.52～2.91)在達(dá)到抗剪承載能力極限與破壞狀態(tài)時(shí)，所有框格內(nèi)的砌塊出現(xiàn)彌散裂縫，中間肋柱裂縫相對(duì)較少或沒(méi)有裂縫，肋梁端部均有豎向裂縫貫通，破壞形態(tài)可歸結(jié)為整體剪切型破壞，即密肋墻板為剪切破壞。不同高寬比密肋復(fù)合墻體破壞時(shí)均沒(méi)有真正意義上的主斜裂縫，與一般混凝土墻、砌體墻等斜截面破壞時(shí)出現(xiàn)明顯主斜裂縫的特征差異較大。

對(duì)于混凝土剪力墻，高寬比對(duì)其開(kāi)裂方式及破壞形態(tài)起著十分重要的作用，文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)研究表明，高寬比為1.0的剪力墻基本以剪切開(kāi)裂為主，高寬比為2.0的剪力墻彎曲性能明顯，高寬比為1.0至2.0之間的剪力墻則介于上述二者之間，表現(xiàn)出彎剪混合的開(kāi)裂形態(tài)。對(duì)于密肋復(fù)合墻而言，高寬比小于等于1.0的4片試件(Mgw1、Mgw2、Mgw3、Mgw5)，發(fā)生的是剪切破壞；而高寬比大于等于2.0的3片試件(Mgw4、Mgw6、Mgw7)，仍然發(fā)生剪切為主的破壞形式。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Mgw7(高寬比為2.91)承受的荷載達(dá)到極限荷載45%左右時(shí)，墻體邊框柱柱腳開(kāi)始出現(xiàn)水平受拉裂縫，表明密肋復(fù)合墻呈現(xiàn)一定的彎曲破壞特點(diǎn)，但最終破壞仍以剪切破壞形式為主。文獻(xiàn)[14]進(jìn)行了12層1/3比例密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，密肋復(fù)合墻的高寬比為7.14，彎矩起主要控制作用，極限階段邊框柱縱筋屈服，結(jié)構(gòu)最終發(fā)生彎曲破壞。比較密肋復(fù)合墻和混凝土墻可見(jiàn)，高寬比對(duì)密肋復(fù)合墻破壞形態(tài)的影響規(guī)律與普通混凝土墻有著顯著的不同，對(duì)前者開(kāi)裂方式及破壞形態(tài)的影響程度遠(yuǎn)小于后者。

對(duì)于密肋復(fù)合墻體發(fā)生彎曲破壞還是剪切破壞，其機(jī)理在于：墻體薄弱截面受剪承載力和受彎承載力的相對(duì)大小決定密肋復(fù)合墻的破壞形式，也即，對(duì)于給定的高寬比η，無(wú)論η≤1.0、1.0<η≤2.0還是η≥3.0，密肋復(fù)合墻的破壞形式由彎曲破壞所考慮各抗彎組成部分的實(shí)際承載力與剪切破壞所考慮各抗剪組成部分的實(shí)際承載力之間相對(duì)大小的關(guān)系決定，如果前者小于后者，則密肋復(fù)合墻必然發(fā)生彎曲破壞，反之則發(fā)生剪切破壞。以Mgw4和Mgw7為例，盡管兩片墻體的高寬比大于2，但由于墻體的外側(cè)為混凝土肋柱，截面中部為強(qiáng)度較小的加氣混凝土砌塊，墻體的抗剪承載力相對(duì)抗彎承載力較弱，導(dǎo)致墻體最終發(fā)生的是剪切破壞，而同樣高寬比的混凝土墻，則一般發(fā)生彎曲破壞。因此，對(duì)于密肋復(fù)合墻，高寬比和墻體截面構(gòu)造兩方面因素均對(duì)其破壞形態(tài)起著十分重要的作用。

2.2 承載力分析

密肋復(fù)合墻承力體系的三部分構(gòu)件“填充砌塊、框格、外框架”能夠在受力的彈性階段、彈塑性階段和破壞階段依次發(fā)揮主導(dǎo)作用，墻體在整個(gè)受力過(guò)程中表現(xiàn)出三階段受力模型的特點(diǎn)，即開(kāi)裂階段的等效彈性板模型、屈服和極限階段的剛架-斜壓桿模型以及破壞階段的空框格框架模型。其中，“剛架-斜壓桿模型”決定了墻體的極限承載能力，而“空框格框架”模型則決定了墻體的延性性能。密肋復(fù)合墻Mgw1 ～Mgw7各階段荷載及對(duì)應(yīng)位移實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 試件荷載、位移實(shí)測(cè)值

注：表中荷載單位為kN，位移單位為mm。

根據(jù)Mgw5～Mgw7的承載力實(shí)測(cè)值可知，密肋復(fù)合墻的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載均隨墻體高寬比的增加而降低，反映在抗剪機(jī)理上，高寬比較低的矮墻，除了在水平方向由剪切鋼筋傳遞承擔(dān)剪力外，作用在墻頂部的很大一部分剪力通過(guò)斜向等效整體受壓桿系直接將荷載向支座傳遞，墻體高寬比越低，墻中的“拱作用”越明顯，與一般混凝土墻承載力受高寬比影響的規(guī)律相同。

根據(jù)表2給出的數(shù)據(jù)，以Mgw1的高寬比0.52為基準(zhǔn)，各個(gè)試件高寬比的比例為ηMgw1∶ηMgw2∶ηMgw3∶ηMgw4=1.00∶1.29∶1.92∶4.48；以Mgw1的開(kāi)裂荷載、屈服荷載和極限荷載為基準(zhǔn)，分別計(jì)算得出Mgw2～ Mgw4與Mgw1在三個(gè)階段的比值之后，以相對(duì)高寬比為橫坐標(biāo)，相對(duì)承載力比為縱坐標(biāo)，做出兩者關(guān)系曲線如圖4所示。分析圖4所反映的規(guī)律可知，隨著相對(duì)高寬比的增加，試件在各個(gè)階段的相對(duì)承載力均呈非線性下降趨勢(shì)，且變化規(guī)律基本一致。實(shí)際密肋復(fù)合墻房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，最常見(jiàn)的情況是層高相同而墻體長(zhǎng)度不同，存在不容易判斷墻體破壞形態(tài)的情況；隨著更多不同高寬比密肋復(fù)合墻試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累，可以擬合得到更有代表性的承載力-高寬比關(guān)系式，即可估算不同長(zhǎng)度密肋復(fù)合墻的承載力，從而與現(xiàn)有密肋復(fù)合墻承載力公式的計(jì)算結(jié)果相互校核。就本文所選的試件而言，其承載力-高寬比關(guān)系擬合結(jié)果見(jiàn)式(1)。

圖4 承載力-高寬比關(guān)系曲線

(1)

2.3 剛度退化規(guī)律分析

試件在不同階段的等效剛度取往復(fù)荷載作用下正、反向荷載的絕對(duì)值之和除以相應(yīng)正、反向位移絕對(duì)值之和，表3列出了試件Mgw5～Mgw7的等效剛度計(jì)算值，由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著試件高寬比增加，密肋復(fù)合墻在各受力階段的等效剛度均降低，與混凝土墻表現(xiàn)一致。

表3 試件Mgw5～Mgw7剛度計(jì)算結(jié)果

定義剛度退化系數(shù)為各階段等效剛度與開(kāi)裂階段等效剛度之比，做出兩組密肋復(fù)合墻的剛度退化系數(shù)隨層間位移角的變化曲線如圖5所示，不同高寬比密肋復(fù)合墻的總體剛度退化趨勢(shì)是退化初期剛度衰減很快，隨著位移的增大而減緩，最后趨于平緩，剩余剛度約為初始剛度的10%～15%。

圖5 密肋復(fù)合墻剛度退化曲線

圖5(a)為相同高度下不同高寬比試件的剛度退化曲線。相對(duì)于試件Mgw1～Mgw3，試件Mgw4在層間位移角至1/200之前的剛度退化速度最快，參見(jiàn)圖3(f)、(g)所示Mgw4的構(gòu)造形式，其原因在于試件Mgw4中肋梁肋柱與填充砌塊的相互約束作用較差，尤其是對(duì)于兩側(cè)肋柱而言，填充砌塊僅在內(nèi)側(cè)對(duì)其產(chǎn)生支撐和約束作用，試件開(kāi)裂和裂縫擴(kuò)展程度較為嚴(yán)重，由此導(dǎo)致Mgw4的初期剛度退化速度較快。層間位移角超過(guò)1/100之后，4片試件的剛度退化程度趨于一致。

根據(jù)圖5(b)，在密肋復(fù)合墻長(zhǎng)度相同的條件下，隨著高寬比的增加，墻體的彎曲變形性質(zhì)逐漸增加，剛度退化速度逐漸變慢，與混凝土墻剛度退化速度隨高寬比變化的規(guī)律一致。

2.4 延性分析

采用層間位移轉(zhuǎn)角θ與延性系數(shù)μ對(duì)密肋復(fù)合墻試件的延性進(jìn)行評(píng)估，定義層間位移轉(zhuǎn)角θ為頂部加載端水平位移值與試件高度之比，定義μ為特定階段位移與屈服位移之比，即μi=Δi/Δu，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 密肋復(fù)合墻層間轉(zhuǎn)角及延性系數(shù)

分析表4數(shù)據(jù)可知：

(1)破壞階段除了Mgw5之外，其余6片不同高寬比密肋復(fù)合墻的層間位移角均大于或等于1/50，滿足我國(guó)抗震規(guī)范對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)彈塑性層間轉(zhuǎn)角限值[θ]的要求。對(duì)于Mgw5，其滯回曲線在極限荷載之后的下降變化趨勢(shì)比較緩和，繼續(xù)進(jìn)行位移控制加載得到穩(wěn)定的滯回環(huán)在理論上是可能的，應(yīng)該能夠控制其破壞位移角超過(guò)1/50。7片試件的位移延性系數(shù)平均達(dá)到5.8，滿足混凝土抗震結(jié)構(gòu)對(duì)位移延性系數(shù)為3.0～4.0的要求[15]。

(2)隨著高寬比的增加，密肋復(fù)合墻的延性呈提高趨勢(shì)，但提高幅度不大，這一點(diǎn)與混凝土墻延性受高寬比的影響規(guī)律有著明顯的區(qū)別。產(chǎn)生上述區(qū)別的機(jī)理在于：由于密肋復(fù)合墻的構(gòu)造呈網(wǎng)格式，破壞階段墻體內(nèi)部的填充砌塊損壞嚴(yán)重，逐漸脫落而退出工作，由肋梁和肋柱組成的空框格框架承擔(dān)豎向與水平荷載，墻體實(shí)際上轉(zhuǎn)變?yōu)镽C框架，因此，在破壞階段，密肋復(fù)合墻的變形能力由混凝土框架(框格)決定，此時(shí)，雖然各個(gè)密肋墻體的高寬比不同，但具體到肋梁肋柱的長(zhǎng)細(xì)比及其變形能力相差不大，因而墻體的延性性能相差不大。

由上述分析我們認(rèn)為，由加氣混凝土砌塊、RC肋梁和肋柱構(gòu)成的密肋復(fù)合墻已經(jīng)具備了一般鋼筋混凝土構(gòu)件的變形能力，其構(gòu)造特點(diǎn)決定了墻體延性性能對(duì)高寬比的變化并不十分敏感，傳統(tǒng)意義上延性差、容易發(fā)生脆性破壞的低矮密肋復(fù)合墻完全可以設(shè)計(jì)成延性的抗震墻構(gòu)件。

3 結(jié) 論

本文在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)不同高寬比下密肋復(fù)合墻破壞特點(diǎn)和抗震性能進(jìn)行了分析，并與混凝土剪力墻進(jìn)行了對(duì)比，密肋復(fù)合墻抗震性能受高寬比的影響規(guī)律與混凝土剪力墻不完全一致。主要結(jié)論如下：

(1)密肋復(fù)合墻的高寬比η<2.0時(shí)，其破壞為典型的剪切型破壞，高寬比2.0≤η<3.0時(shí)，表現(xiàn)出一些彎曲破壞特點(diǎn)但仍然表現(xiàn)為剪切為主的破壞形式，而對(duì)于混凝土墻，η≥2.0時(shí)墻體一般即發(fā)生彎曲形式破壞；

(2)高寬比對(duì)密肋復(fù)合墻承載力和剛度的影響規(guī)律與普通混凝土墻基本一致，呈現(xiàn)隨著高寬比的增加，其承載力和剛度逐漸減小的變化規(guī)律；

(3)密肋復(fù)合墻延性性能對(duì)高寬比的變化并不十分敏感，傳統(tǒng)意義上延性差、容易發(fā)生脆性破壞的低矮密肋復(fù)合墻完全可以設(shè)計(jì)成延性的抗震墻構(gòu)件。本文對(duì)于密肋復(fù)合墻破壞形態(tài)及抗震性能受高寬比影響規(guī)律的分析，亦可供其它類型網(wǎng)格式抗震墻參考。

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