自密實夾芯保溫剪力墻受剪分析及理論研究

戎 賢 ，陳相偉

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401）

0 引言

自密實夾芯復(fù)合剪力墻體系是一種新型保溫隔熱的承重剪力墻板體系，該體系具有抗震性能好、保溫層耐久性好等優(yōu)點，是我國墻體改革的一項重大突破.該體系同時也存在著施工工藝復(fù)雜和保溫不夠理想等缺點.自密實夾芯復(fù)合保溫墻體系是由兩側(cè)混凝土層以及中間加芯層組合而成，兩側(cè)混凝土又稱為結(jié)構(gòu)層.內(nèi)、外混凝土結(jié)構(gòu)層的結(jié)合形式有兩種：一種是等厚結(jié)構(gòu)層復(fù)合剪力墻，另一種是不等厚結(jié)構(gòu)層復(fù)合剪力墻.內(nèi)、外兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)層由空間斜插筋連接并協(xié)同工作，承擔豎向荷載及部分彎矩.在不等厚結(jié)構(gòu)層墻板中，由于兩側(cè)混凝土不等厚，不能有效地協(xié)同作用，一般整體性較差，外墻容易出現(xiàn)裂縫.本文研究了其兩側(cè)不等厚混凝土的裂縫發(fā)展以及鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律，得出了較厚側(cè)混凝土提供主要抗剪承載力，較薄側(cè)混凝土只起保護層作用的結(jié)論.根據(jù)自密實夾芯復(fù)合剪力墻體系的抗剪機理，建立桁架+拱模型，推導(dǎo)自密實夾芯復(fù)合剪力墻的抗剪承載力計算公式，為研究該體系提供有效理論基礎(chǔ).

1 試驗設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

本次試驗共制做1組受剪構(gòu)件，構(gòu)件的配筋圖及尺寸如圖1和圖2所示.構(gòu)件分別對應(yīng)不同的插筋方式（圖3水平斜插、圖4垂直斜插），研究不同插筋形式的受剪破壞形態(tài).構(gòu)件兩側(cè)分別為30mm和70mm厚的混凝土，采用C30自密實混凝土.聚苯乙烯夾芯板放置在一側(cè)，其厚度為50mm.兩側(cè)混凝土與中間的聚苯乙烯泡沫均是通過強度CRB550直徑為3mm的插筋連接，共同承擔剪力和75%以上的豎向荷載及彎矩.

1.2 試驗方案

應(yīng)變片的位置如圖5所示.實驗前，首先將試驗的各個儀器讀數(shù)調(diào)整為零，接著在彈性階段內(nèi)對自密實復(fù)合剪力墻實施預(yù)先加載，預(yù)先加載的力的大小定為10kN，開始加載時將荷載增至20kN，接著每級荷載的增加量均為20kN，加載至剪力墻開裂后，依舊每級荷載增加20kN，當加載到理論計算的破壞荷載后，加載值改為每級增加40kN.

圖1 構(gòu)件配筋Fig.1 Reinforcementcomponen

圖2 構(gòu)件尺寸圖Fig.2 Drawing ofmember size

圖3 Q1水平斜插Fig.3 Q1 horizontalslanting insertion

圖4 Q2垂直插筋Fig.4 Q2 vertical insertion

圖5 鋼筋應(yīng)變片布置Fig.5 Layoutof steelstrain gauge

圖6 試件Q1裂縫圖Fig.6 Crack draw ing of Q1

2 試驗結(jié)果分析

2.1 構(gòu)件兩側(cè)混凝土裂縫分析

比較兩側(cè)混凝土在同一荷載下裂縫的大小以及出現(xiàn)的先后規(guī)律和位置.判斷兩側(cè)混凝土的協(xié)調(diào)工作情況.

由圖6和圖7的裂縫圖可見，較厚一側(cè)自密實復(fù)合剪力墻隨著加載的不斷增加，首先產(chǎn)生水平彎曲裂縫，隨后向斜裂縫發(fā)展，會產(chǎn)生對角線方向腹剪斜裂縫，裂縫發(fā)展有規(guī)律.較薄面混凝土裂縫分布無規(guī)律，且裂縫數(shù)目較多，寬度較大，隨著加載的增大混凝土退出了工作.抗剪主要由較厚一側(cè)來承擔.較厚側(cè)混凝土抗裂性能強.

2.2 受剪構(gòu)件兩側(cè)鋼筋應(yīng)力分析

對自密實復(fù)合剪力墻兩側(cè)混凝土結(jié)構(gòu)層內(nèi)水平鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線進行對比分析.在整個持續(xù)加載過程中，較厚一側(cè)鋼筋應(yīng)變穩(wěn)定的隨著荷載的增加而增大，并沒有出現(xiàn)急劇增大的現(xiàn)象，這表明較厚混凝土水平分布鋼筋在剪力作用下體現(xiàn)了其優(yōu)良的塑性性能，提高了構(gòu)件的受剪承載力.3號水平鋼筋在本次的加載試驗中始終處于受壓狀態(tài)，沒有參與構(gòu)件的受剪，而在剪力墻的受剪承載力因素中，水平分布筋是主要的抗剪因素，從以上分析可以得出，較厚側(cè)混凝土的鋼筋應(yīng)變發(fā)展比較緩慢，其剛度要大.較厚側(cè)混凝土承受的剪力比較薄一側(cè)混凝土的承受的剪力大.其較薄側(cè)混凝土只起到保護層的作用.

3 自密實夾芯復(fù)合剪力墻受剪機理分析及公式推導(dǎo)

插筋的應(yīng)力低，插筋的主要作用就是協(xié)調(diào)兩側(cè)混凝土的變形，對較薄一側(cè)混凝土進行約束，而且兩種插筋方式的應(yīng)力水平無顯著差異，忽略插筋的抗剪，運用經(jīng)典的拱-桁架模型進行自密實復(fù)合剪力墻的抗剪承載力公式進行推導(dǎo).特規(guī)定了一些假設(shè)：

1）2種模型里剪應(yīng)力和正應(yīng)力隨著復(fù)合剪力墻橫截面分布均勻；

2）在拱模型中的抗剪承載力與剪力墻內(nèi)的抗剪鋼筋沒有關(guān)系，不存在塑性轉(zhuǎn)角的變化，故認為拱模型中混凝土斜壓桿傾角不變；

3）由于桁架和和拱模型的壓應(yīng)力傾角不同，而相關(guān)文獻表明2模型的傾角差別不是很大，為了計算簡單，可認為在相互疊加后的傾角相同，可以對2模型的抗剪貢獻值直接相加；

4）混凝土層較薄，構(gòu)件的縱筋消栓作用和骨料的咬合作用不明顯，故為了簡化計算忽略2項[1-2]；

5）忽略插筋的抗剪貢獻影響；

6）不考慮端柱與端梁對抗剪承載力的影響；

7）假定兩側(cè)墻板連接良好.

桁架模型中，將剪力墻沿斜向分割成很多個斜腹桿，如圖10所示，墻面分為非塑性鉸和非彈性區(qū)域，非彈性區(qū)域的腹桿傾角不變，非塑性鉸區(qū)域的傾角連續(xù)變化，分別列平方向的平衡方程.

將非彈性區(qū)AB段以下取隔離體得：

將非塑性區(qū)CD段以上取隔離體得：

2式分別代表了圖13中的OA和AB段，A 、B的坐標分別為 1/1+k×k,/1+k×k， 1/2,1/2，將2坐標點X值Y值代入兩點直線方程可得AB段的抗剪承載力公式：

圖12 點平衡關(guān)系Fig.12 Equilibrium relation in pointD

引入了拱模型的理論．由圖13中可以看出，當總的剪力墻水平配筋率Ph比較大的時候，桁架模型中的抗剪承載力由線段 段表示，當配筋率 較小的時候，桁架模型中的抗剪貢獻由 段表示．從圖13中還可以看出，當配筋率Ph為零時，即時，縱坐標由OA段公式得出抗剪貢獻力V1=0，零點的意義表明當水平分布鋼筋配筋率為0時，剪力墻的抗剪承載力在桁架模型中為0．桁架模型中沒有考慮混凝土的抗剪能力，其理論具有局限性．為此引入了拱模型的理論，兩者疊加進行計算剪力墻的受剪承載力．

圖14中，根據(jù)假定，忽略2模型的斜壓桿引起的壓應(yīng)力傾角不同，即疊加2模型的壓應(yīng)力：

將剪力墻的拱作用模型簡化為直桿拱模型，根據(jù)水平方向的平衡條件可求得

為了使拱模型的抗剪貢獻值達到極值，故將式 (12)取極值，即，

將式 (13)代入式 (11)即可得到拱模型的抗剪承載力公式：

從式 (15)可以看出，拱模型中剪力墻受剪承載力隨著剪跨比的增大而減小，主要原因是從式(13)可以看出剪跨比和拱模型中傾角成反比．傾角減小，受剪承載力也隨之減?。?/p>

拱模型是曲線模型，即混凝土壓桿實際的受力狀態(tài)是一向受拉，一向受壓的雙向受力狀態(tài)[5]．如果在計算分析中直接以混凝土的軸心抗壓強度作為設(shè)計指標是不科學(xué)并且不安全的．1972年Robinson和Demorieux在試驗中發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土板中的主壓應(yīng)力會被主拉應(yīng)力軟化，將應(yīng)力-應(yīng)變軟化系數(shù)運用到了研究受剪承載力性能中（該理論被稱為“斜壓場理論”）[6-7]．

本文在此引入文獻[2]提出的斜裂縫區(qū)域中混凝土的有效抗壓強度，其中，

圖14 拱模型Fig.14 Archmodel

將式 (4)和式 (15)進行疊加，可得自密實剪力墻的抗剪承載力計算公式：

公式由于在極限承載力狀態(tài)下，剪力墻破壞時的水平分布鋼筋屈服，即K=1，將受壓軟化系數(shù)公式 (16)代入公式 (17)，整理得到自密實剪力墻總的抗剪承載力表達式為：

第1項為鋼筋抗剪承載力貢獻值，第2項表示混凝土抗剪承載力貢獻值，拱的抗剪承載力貢獻值為0，受剪承載力只是由桁架模型計算公式確定.當自密實剪力墻的承載力由桁架模型和拱模型共同確定.

表1 計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較Tab.1 Comparison between calculation resultand test result

通過桁架+拱模型推導(dǎo)了自密實復(fù)合剪力墻的抗剪承載力公式 (18)，本公式的理論計算值同實驗值誤差很小，適用于自密實復(fù)合剪力墻的抗剪承載力計算.

4 結(jié)論

1）較厚側(cè)混凝土裂縫發(fā)展比較有規(guī)律性，較薄側(cè)混凝土的裂縫發(fā)展比較無規(guī)律，加載過程中裂縫很快變得很寬，混凝土被壓碎，退出工作.較厚側(cè)鋼筋提供主要的抗剪承載力，承受主要的水平和豎向荷載.

2）推導(dǎo)的抗剪極限承載力計算公式與實驗值相差不大，可以作為自密實復(fù)合剪力墻的理論受剪承載力計算公式.水平斜插筋計算誤差大于垂直插筋的原因是因為本公式計算模型中未考慮插筋對受剪承載力的影響，而水平斜插筋在實際的受剪過程中沒有很好的起到連接兩側(cè)墻板的作用，故受力較差，承載力較低.而垂直插筋可以較為良好的固結(jié)兩側(cè)墻板，整體性較好，故承載力較高.本公式的實驗假定是兩側(cè)墻板連接可靠，故推出的公式更為適用于垂直插筋Q2的承載力計算.

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