村鎮(zhèn)裝配砌體抗震性能試驗(yàn)

王旭光，冷小民，張玉敏，徐傳枝，宋峰

(河北省地震工程研究中心河北聯(lián)合大學(xué)，河北唐山063009)

砌體結(jié)構(gòu)是我國(guó)村鎮(zhèn)目前使用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)，凡嚴(yán)格按照抗震規(guī)范設(shè)計(jì)與施工的砌體房屋，其抗震能力均可以達(dá)到“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。但砌體結(jié)構(gòu)也是人們公認(rèn)的抗震性能最差的結(jié)構(gòu)，其主要原因是:(1)施工材料不規(guī)范，有些人圖便宜，購(gòu)買一些非鋼材市場(chǎng)經(jīng)銷的偽劣鋼材，并用于承重構(gòu)件上;箍筋的角度不規(guī)矩，長(zhǎng)度明顯不足。(2)施工技術(shù)質(zhì)量差，無統(tǒng)一規(guī)劃，未進(jìn)行正規(guī)或?qū)ｉT的設(shè)計(jì)，施工全憑經(jīng)驗(yàn)，抗震構(gòu)造措施不當(dāng)。(3)有些農(nóng)戶(只有農(nóng)閑時(shí)間)基于施工工期的限制而放棄使用構(gòu)造柱。

按照規(guī)范設(shè)置傳統(tǒng)的圈梁構(gòu)造柱具有提高村鎮(zhèn)房屋的抗震能力的作用，但在村鎮(zhèn)建筑中推廣應(yīng)用卻因?yàn)樯鲜鲈蚨艿胶艽蟮淖枇Γ瑢?duì)此研究開發(fā)新型的圈梁構(gòu)造柱技術(shù)具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值和歷史意義針對(duì)砌體結(jié)構(gòu)在施工過程中的問題，本文提出了裝配式構(gòu)造柱圈梁技術(shù)，其主要思想是將傳統(tǒng)圈梁、構(gòu)造柱的現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工工藝改變?yōu)橐云鲋橹鞯氖┕?。解決了傳統(tǒng)構(gòu)造柱在農(nóng)村中建筑中難以落實(shí)使用的幾大問題，具有造價(jià)低廉(素混凝土構(gòu)造柱無需鋼筋，芯柱式構(gòu)造柱無需木工支模)、不占工期(可隨墻體同時(shí)砌筑)、原材料質(zhì)量有保證等特點(diǎn)(預(yù)制塊由預(yù)制廠生產(chǎn)，工廠化生產(chǎn)便于質(zhì)量監(jiān)控)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)模型與尺寸

裝配式圈梁、構(gòu)造柱所需的預(yù)制塊共有2種，如圖1和圖2所示。圈梁、構(gòu)造柱預(yù)制塊組砌方法包括圈梁組砌方法、構(gòu)造柱組砌方法和梁柱組裝，如圖3至圖5所示。

待梁、柱身砌筑完成后，對(duì)于低烈度區(qū)(6度以下)，在左右、上下對(duì)齊的中部孔洞中直接灌注混凝土即可。而于中高烈度區(qū)(7!9度區(qū))，則在孔洞中放置鋼筋籠、然后澆注混凝土，即形成圈梁和構(gòu)造柱。

2 加載制度

試驗(yàn)共制作4片墻體，其中配有鋼筋的墻體2片(Q1、Q2)，素混凝土墻體2片(Q3、Q4)，墻體編號(hào)及參數(shù)如表1所示。對(duì)4片不同的墻體施加低周反復(fù)荷載，加載裝置如圖6所示。墻體試驗(yàn)參照中華人民共和國(guó)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101－96)進(jìn)行。4片墻體的加載制度基本相同。首先對(duì)墻體施加豎向荷載，由2個(gè)液壓同步千斤頂和荷載分配鋼梁來實(shí)現(xiàn)，并在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持豎向荷載不變，豎向荷載72kN及0kN。

表1 試驗(yàn)墻體編號(hào)及參數(shù)

正式試驗(yàn)前，先進(jìn)行預(yù)加載，豎向荷載預(yù)加1次，水平反復(fù)荷載預(yù)加2次，荷載值不超過墻體預(yù)計(jì)開裂荷載值的20%。預(yù)加載過程中，觀察墻體受力是否正常，有無扭轉(zhuǎn)，有無彎曲;觀察水平鋼拉桿的螺帽是否松動(dòng);觀察位移計(jì)、測(cè)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)等儀器工作是否正常;觀察數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儀器工作是否正常;在預(yù)加載完成并確認(rèn)可以進(jìn)行正式加載后，再進(jìn)行正式加載。水平荷載加載程序采用荷載-位移混合控制加載，每級(jí)荷載加載時(shí)間2min，加載制度如圖7所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 墻體的破壞形態(tài)

墻體在承受低周反復(fù)荷載作用過程中，破壞過程分為三個(gè)階段［1］:彈性階段、開裂階段和破壞階段。墻體剛開始受力時(shí)處于彈性階段，墻體受到的力與墻體頂端位移成線性關(guān)系。隨著荷載力的增大，墻體逐漸開裂，出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入開裂階段。在開裂階段，當(dāng)施加荷載較小時(shí)，墻體開裂主要為剪摩破壞，墻體裂縫主要沿水平灰縫開裂。當(dāng)施加荷載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，墻體開裂主要為剪壓破壞，墻體裂縫主要沿墻灰縫與墻成對(duì)角方向開裂，裂縫成梯形。荷載力繼續(xù)增大，墻體破壞即進(jìn)入破壞階段。墻體主要有兩條裂縫，當(dāng)兩條主裂縫貫通時(shí)，墻體破壞。Q2墻體的破壞結(jié)果如圖8所示，不同測(cè)試墻體抗震抗剪承載力與墻頂位移如表2所示。

圖8 Q2墻體破壞實(shí)圖

表2 墻體抗震抗剪承載力與墻頂位移

由表2可知，與無豎向壓應(yīng)力的墻體相比，有豎向壓應(yīng)力的墻體的初裂、極限、破壞荷載有明顯提高，但位移恰好相反。圈梁構(gòu)造中有鋼筋的墻體的初裂、極限、破壞荷載與位移均比素混凝土圈梁構(gòu)造墻體有所提高。

3.2 墻體的延性

所謂的延性［2］，是指墻體從屈服開始到達(dá)最大承載能力或到達(dá)以后而承載能力還沒有明顯下降期間的變形能力。延性好的墻體的后期變形能力大，在達(dá)到屈服或最大承載能力狀態(tài)后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破壞的發(fā)生。墻體延性是衡量墻體抗震性能的重要指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)的延性指標(biāo)通常以結(jié)構(gòu)極限位移與彈性變形的比值來表示［3］，如(1)式和(2)式所示:

式中，μ1為極限位移延性系數(shù)，μ2為破壞位移延性系數(shù)，Δu為試件極限位移;Δf為試件破壞位移，ΔCr為試件開裂位移。

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，利用(1)式和(2)式計(jì)算不同墻體的延性系數(shù)μ1和μ2，列于表3。

表3 試驗(yàn)墻體延性系數(shù)

由表3可以看出，有垂直壓應(yīng)力的墻體比無垂直壓應(yīng)力的墻體的延性好，墻體構(gòu)造柱圈梁中配有鋼筋的墻體比素構(gòu)造柱圈梁的延性有所增加。

3.3 墻體的剛度

對(duì)各個(gè)墻體的骨架曲線加權(quán)平均并做歸一化處理［4-6］，得到三折線形骨架曲線，以Δ/Δu為橫坐標(biāo)，P/Pu為縱坐標(biāo)，其中P為極限荷載，Pu分別為初裂荷載、極限荷載、破壞荷載。Δ為極限位移，Δu分別為初裂位移、極限位移、破壞位移，其中荷載與位移的值，取同級(jí)荷載、位移試驗(yàn)時(shí)正反方向的試驗(yàn)結(jié)果的平均值。各墻體試件的歸一化骨架曲線如圖9至圖12所示。

由圖9至圖12可見，歸一化骨架曲線分為3個(gè)工作狀態(tài)，即彈性階段、塑性階段和破壞階段。將每個(gè)階段的斜率定義為剛度，各墻體剛度的擬合求解結(jié)果如表4所示。

表4 各片墻體的剛度

由表4可見，試件加載初期，即彈性階段，墻體剛度很大;隨著低周反復(fù)荷載的增加，墻體的剛度隨之減小，當(dāng)試件由塑性階段轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐碾A段，剛度退化逐漸變緩［7］，其原因?yàn)閴w隨著吸收能量的增加而逐漸退出承載能力。

4 結(jié)論

(1)在一定范圍內(nèi)，增大墻體頂部均勻分布的豎向壓應(yīng)力，均可以提高墻體的抗震抗剪承載力，并且可以有效地增加墻體的水平極限位移和破壞位移，使墻體的延性增大，耗能能力提高。

(2)相對(duì)于同等條件下，素混凝土圈梁構(gòu)造柱磚墻比鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱磚墻的抗震抗剪承載力低50%左右，極限位移和破壞位移比較小，且墻體一旦開裂，很快就達(dá)到了極限承載能力狀態(tài)，呈脆性破壞形態(tài)，墻體的延性較差，耗能能力比較低，但同素墻體比較，承載力仍能提高20%左右。

(3)墻體剛度隨著荷載的不斷增加而降低直至墻體破壞。

［1］ 朱宇峰.蒸壓粉煤灰實(shí)心磚墻體抗震性能試驗(yàn)研究［D］.重慶大學(xué)，2007.

［2］ 何明勝.中高層密肋復(fù)合墻體延性及軸壓比限值研究［D］.西安建筑科技大學(xué)，2008.

［3］ 趙全斌.改善蒸壓加氣混凝土承重墻體抗震性能試驗(yàn)研究［D］.天津大學(xué)，2005.

［4］ 李忠獻(xiàn).工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)理論與技術(shù)［M］.天津大學(xué)出版社，2004.

［5］ 蔣偉.新型輕質(zhì)混凝土承重砌體抗震性能試驗(yàn)研究［D］.天津大學(xué)，2005.

［6］ 張宏.帶洞口約束梁柱粉煤灰蒸壓磚承重墻、粉煤灰砌塊自承重墻抗震性能的試驗(yàn)研究［D］.揚(yáng)州大學(xué)，2007.

［7］ 李忠獻(xiàn).工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)理論與技術(shù)［M］.天津大學(xué)出版社，2004.