內(nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體抗震性能研究

陳國(guó)新，黃 煒，馮偉剛

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052;2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安 710055;3.西安市建筑設(shè)計(jì)研究院，陜西西安 710021)

生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系［1］是一種生態(tài)、節(jié)能、抗震的建筑結(jié)構(gòu)體系，主要由預(yù)制的生態(tài)復(fù)合墻板與隱形外框及樓板裝配整澆而成。作為結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件——生態(tài)復(fù)合墻體是由生態(tài)復(fù)合墻板與隱形外框組成的墻肢或墻段，如圖1所示。其中，生態(tài)復(fù)合墻板是以截面和配筋較小的鋼筋混凝土肋梁、肋柱為框格，內(nèi)嵌以工農(nóng)業(yè)廢料或其他生態(tài)材料為主的高性能砌塊［2-3］預(yù)制而成。

本文將新疆地區(qū)農(nóng)作物剩余物——棉花秸稈［4］配置成棉花秸稈砌塊填充到生態(tài)復(fù)合墻板中，以驗(yàn)證棉花秸稈砌塊生態(tài)填充塊材與框格之間的協(xié)同工作能力，研究?jī)?nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體在低周反復(fù)荷載作用下的受力特點(diǎn)和破壞機(jī)制，并與內(nèi)填加氣混凝土砌塊生態(tài)復(fù)合墻體［5］的抗震性能［6-7］進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)對(duì)一榀1∶2比例生態(tài)復(fù)合墻體模型［8］進(jìn)行試驗(yàn)，試件制作主要包括內(nèi)填砌塊預(yù)制、墻板預(yù)制及墻體裝配整澆3道工序［9］。墻體編號(hào)為ECW-7，試件的規(guī)格及配筋尺寸如下:長(zhǎng)×高×厚為1.4 m×1.44 m×0.1 m，框梁100 mm，框柱100 mm，肋梁50 mm，肋柱50 mm，框架鋼筋中框梁為4Φ6 mm，框柱4Φ6 mm，箍筋 Φ4@100，肋格鋼筋中框梁為 4Φ4 mm，框柱4Φ4 mm，箍筋Φ2@100。墻體外框材料為C30混凝土，墻板肋格為C20混凝土，內(nèi)填砌塊為棉花秸稈砌塊［10］，其材料物理、力學(xué)性能參數(shù)見表1。

圖1 生態(tài)復(fù)合墻體構(gòu)造示意圖Fig.1 Structure of ecological composite wall

試驗(yàn)采用偽靜力抗震試驗(yàn)方法。根據(jù)相似關(guān)系，模型一次施加豎向荷載110 kN，經(jīng)二次分配后加在肋柱和框柱上;待豎向荷載穩(wěn)定后，通過反力墻，借助液壓作動(dòng)器對(duì)墻體頂部施加水平荷載，采用力-位移混合控制。

表1 混凝土與砌塊基本物理、力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Fundamental physical and mechanical properties of concrete and blocks

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 墻體破壞過程

生態(tài)復(fù)合墻體在水平荷載與豎向荷載共同作用下，始終處于彎、剪、壓復(fù)合受力狀態(tài)［11-12］，加之試件在制作上的復(fù)雜性以及材料的多樣性，墻體的破壞形態(tài)也是復(fù)雜、多樣的。試驗(yàn)表明，ECW-7在豎向荷載及水平荷載作用下，發(fā)生肋格先于外框破壞的剪切型破壞模式［13］。試件的破壞過程大體可分為彈性階段、彈塑性階段、破壞階段［14］，其裂縫和墻體最終破壞情況見圖2，最終破壞照片見圖3。

圖2 ECW-7裂縫Fig.2 Three-stage cracking of ECW-7

2.2 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分析

為便于研究，對(duì)同一方向荷載作用下生態(tài)復(fù)合墻體典型受力部位的鋼筋應(yīng)變變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。

2.2.1 外框柱鋼筋

在墻體所受荷載達(dá)到開裂荷載強(qiáng)度前，外框柱鋼筋應(yīng)變隨荷載的增減呈線性變化;達(dá)到最大荷載后，外框柱內(nèi)側(cè)鋼筋開始屈服，依然主要承受拉應(yīng)力、壓應(yīng)力，墻體對(duì)稱部位外框柱縱筋應(yīng)變變化規(guī)律見圖4(a)。

2.2.2 肋柱鋼筋

a.邊肋柱。如圖4(b)所示，對(duì)稱邊肋柱縱筋應(yīng)變基本對(duì)稱分布，在墻體所受荷載達(dá)到開裂荷載強(qiáng)度之前基本呈線性分布，達(dá)到開裂荷載強(qiáng)度后，鋼筋的應(yīng)變曲線出現(xiàn)較明顯的拐點(diǎn)。在達(dá)到墻體的最大荷載之前，鋼筋的應(yīng)變很小;在最大荷載之后，鋼筋的應(yīng)變突然下降。邊肋柱鋼筋均未屈服。

圖3 ECW-7最終破壞Fig.3 Final failure of ECW-7

b.中肋柱。如圖4(c)所示，水平荷載達(dá)到墻體屈服荷載之前，鋼筋應(yīng)變很小，隨著肋梁鋼筋屈服，墻體達(dá)到屈服荷載，內(nèi)力發(fā)生重分布［15］，中肋柱承擔(dān)了部分剪力，其底部鋼筋發(fā)生突變應(yīng)變。

圖4 鋼筋應(yīng)變Fig.4 Strains of different steels

2.2.3 肋梁鋼筋

墻體開裂前，肋梁鋼筋應(yīng)變很小;在墻體所受荷載達(dá)到開裂荷載強(qiáng)度之后，隨著裂縫延伸至肋梁內(nèi)，肋梁鋼筋應(yīng)變有明顯增長(zhǎng);當(dāng)大部分肋梁鋼筋屈服時(shí)，墻體達(dá)到屈服荷載強(qiáng)度;以大位移循環(huán)時(shí)，肋梁鋼筋大部分屈服，有的甚至被拉斷，墻體的承載力下降，但下降的速度緩慢，當(dāng)墻體的位移轉(zhuǎn)角為1/19時(shí)，墻體的承載力僅下降了10%左右，墻體達(dá)到破壞。對(duì)比各肋梁鋼筋應(yīng)變可以發(fā)現(xiàn):邊肋梁的鋼筋先于中肋梁屈服，體現(xiàn)了肋柱的銷栓作用［16］;下層肋梁先于上層肋梁屈服，表明下層肋梁承擔(dān)的剪力較大。同時(shí)，從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，砌塊開裂，以及肋梁、肋柱開裂都未能引起承載力降低，而大量肋梁鋼筋退出工作使得墻體的抗剪承載力開始降低，說明肋梁鋼筋對(duì)墻體的抗剪承載力貢獻(xiàn)較大。肋梁鋼筋應(yīng)變規(guī)律如圖4(d)所示。

3 抗震性能分析

課題組前期對(duì)內(nèi)填加氣混凝土砌塊的生態(tài)復(fù)合墻體進(jìn)行了大批不同工況下的抗震性能試驗(yàn)，且已建造了部分試點(diǎn)工程。為研究?jī)?nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體的抗震性能，與前期相同規(guī)格和配筋的內(nèi)填加氣混凝土砌塊復(fù)合墻體ECW-1［6］進(jìn)行了對(duì)比分析。

3.1 滯回曲線

ECW-7在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線見圖5(a)。

圖5 墻體滯回曲線Fig.5 Hysteresis loops of ecological composite walls

由圖5(a)可以看出，在彈性階段，滯回曲線基本為直線，剛度值不變，試件整體性較好;隨著荷載的增大，滯回曲線漸漸呈梭形，滯回環(huán)的面積也明顯增大，出現(xiàn)殘余變形，剛度明顯退化;試件所受荷載達(dá)到最大后，墻體的承載力下降緩慢，位移增長(zhǎng)較快，表現(xiàn)出良好的延性;此后以大位移循環(huán)時(shí)，棉花秸稈砌塊與肋格間的滑移現(xiàn)象已非常突出，滯回環(huán)中部的捏縮現(xiàn)象越來越明顯，滯回曲線呈明顯反S形。

ECW-1滯回曲線見圖5(b)。由圖5(b)可以看出，在加載后期，ECW-1的滯回環(huán)比ECW-7更加飽滿，捏攏現(xiàn)象更明顯，這主要是因?yàn)榧託饣炷疗鰤K是脆性材料，在反復(fù)荷載作用下開裂、破碎甚至剝落，而棉花秸稈砌塊是一種柔性填充材料，在試驗(yàn)的后期也僅有大量裂縫出現(xiàn)，未出現(xiàn)破碎剝落現(xiàn)象。

3.2 骨架曲線

由圖6中2榀墻體的骨架曲線對(duì)比可知:

a.ECW-7具有持續(xù)的承載能力，在加載后期，由于剪切和滑移變形較大，棉花秸稈砌塊基本退出工作，生態(tài)復(fù)合墻體可看成一純鋼筋混凝土框架［11-12］承受荷載，所以復(fù)合墻體的變形很大，而荷載卻下降不明顯。

b.ECW-1的承載力高，極限位移小，而ECW-7的承載力低，極限位移大，說明內(nèi)填材料的強(qiáng)度和彈性模量是影響生態(tài)復(fù)合墻體水平承載力和變形的主要因素。

3.3 特征荷載及特征位移

2榀生態(tài)復(fù)合墻體的開裂點(diǎn)、屈服點(diǎn)、最大荷載點(diǎn)和極限荷載點(diǎn)［5］4個(gè)特征點(diǎn)［17］的荷載和相應(yīng)位移見表2。

圖6 墻體骨架曲線Fig.6 Skeleton curves of ecological composite walls

表2 墻體特征荷載和特征位移Table 2 Characteristic loadings and characteristic displacements of walls

由表2可以看出:

a.ECW-7開裂荷載值較小，其值為最大荷載的33.6%，而屈服荷載、最大荷載與極限荷載三者相差不大。隨著棉花秸稈砌塊中的裂縫變寬、變長(zhǎng)，以及砌塊與混凝土肋格之間的黏結(jié)滑移破壞，墻體退化成一個(gè)多肋格式框架構(gòu)件獨(dú)立承擔(dān)豎向和水平荷載，說明在加載后期，內(nèi)填的棉花秸稈砌塊與肋格二者之間的協(xié)同工作能力較差。

b.ECW-7構(gòu)件的變形較大，從開裂到屈服，再到荷載達(dá)到最大時(shí)，位移成倍增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速度很快，說明內(nèi)填棉花秸稈砌塊的生態(tài)復(fù)合墻體變形能力較強(qiáng)。

c.棉花秸稈砌塊的立方體抗壓強(qiáng)度與加氣混凝土砌塊相差不大，但彈性模量遠(yuǎn)小于加氣混凝土砌塊，ECW-7構(gòu)件各特征點(diǎn)處位移均是ECW-1的2～3倍，而特征點(diǎn)處ECW-1墻體的特征荷載值是ECW-7墻體的2～3倍，說明內(nèi)填砌塊的抗裂能力、彈性模量、與肋格的連接性能這幾個(gè)因素之間的作用相互耦合，共同影響生態(tài)復(fù)合墻體的受力性能。

3.4 位移延性和相對(duì)變形值

位移延性系數(shù)通常是指骨架曲線下降到0.85Fmax時(shí)所對(duì)應(yīng)的極限位移與屈服位移的比值，其表達(dá)式為

式中:μ——結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù);Δμ——極限位移;Δy——屈服位移，其中屈服點(diǎn)位置按面積互等法［18］確定。

定義相對(duì)變形值為Δ/H，其中Δ是生態(tài)復(fù)合墻體頂端的側(cè)向位移，H為生態(tài)復(fù)合墻體的高度。μ和相對(duì)變形值見表3。由表3可見:

a.ECW-7μ 為 4.6，說明墻體延性較好，雖然墻體極限位移和屈服位移都比ECW-1大，但從屈服開始到極限點(diǎn)，ECW-7墻體位移經(jīng)歷了較長(zhǎng)的歷程，所以延性系數(shù)較大。

b.2榀生態(tài)復(fù)合墻體彈性階段的相對(duì)變形值(即彈性層間位移轉(zhuǎn)角)范圍在1/1 077～1/1 467，表明在彈性階段，墻體的變形能力相差不大。極限破壞時(shí)的相對(duì)變形值范圍在1/43～1/18，表明生態(tài)復(fù)合墻體具有較好的彈塑性變形能力，一直到加載結(jié)束，都沒有出現(xiàn)墻體倒塌現(xiàn)象，具有較好的抗倒塌能力。

?

表3 延性系數(shù)和位移相對(duì)變形值Table 3 Ductility coefficient and relative deformation

3.5 剛度退化

2榀墻體的平均剛度［17］退化對(duì)比曲線見圖7。對(duì)比圖7可知:

a.ECW-7剛度衰減曲線總體趨勢(shì)是加載初期的剛度退化較快，隨著位移的增加，塑性變形不斷發(fā)展，剛度衰減速度變慢，最后趨于平緩。整個(gè)剛度衰減比較均勻，沒有明顯的剛度突變。對(duì)比2榀墻體的剛度退化趨勢(shì)，墻體的剛度退化規(guī)律基本相同，剛度退化速度基本一致。

b.ECW-1的初始剛度大，ECW-7的初始剛度小，這是因?yàn)閮?nèi)填的加氣混凝土砌塊的彈性模量達(dá)1 105 MPa，而棉花秸稈砌塊的彈性模量?jī)H為105 MPa，并且制作墻體時(shí)，棉花秸稈砌塊之間的拼縫較大，砌塊與框格間的黏結(jié)力較差。

c.ECW-7和ECW-1墻體達(dá)到極限破壞時(shí)的剛度相差不大，主要是因?yàn)閴w在彈塑性階段的末期，內(nèi)填砌塊幾乎都退出工作，大部分的荷載都由肋梁、肋柱和外框承擔(dān)。

圖7 復(fù)合墻體剛度退化Fig.7 Degradation of stiffness of ecological composite walls

4 結(jié) 論

a.棉花秸稈砌塊與框格在彈性階段協(xié)同工作性能較好，在彈塑性階段較差。

b.內(nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體在壓、彎、剪作用下發(fā)生強(qiáng)柱弱板剪切型破壞。

c.內(nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體在彈塑性階段受力過程中，水平荷載值呈較平緩的上升趨勢(shì)，且墻體的骨架曲線的延伸段較長(zhǎng)，延性較好，剛度退化平緩。

d.內(nèi)填棉花秸稈砌塊墻體破壞后，墻體的層間位移角達(dá)到1/18，未出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，抗倒塌能力較強(qiáng)。

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