型鋼再生混凝土框架—填充墻結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)水平和容許變形值研究

薛建陽(yáng)，戚亮杰，羅 崢，高 亮

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

框架-填充墻結(jié)構(gòu)是目前我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一．在承受地震等水平作用時(shí)，填充墻與框架之間相互影響，框架對(duì)填充墻變形具有約束作用，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)受到地震力效應(yīng)時(shí)，填充墻與框架共同起到抵抗外力的作用．但是在進(jìn)行該種結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中，填充墻部分常被視為“非結(jié)構(gòu)”構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常僅通過(guò)對(duì)純框架部分的基本周期進(jìn)行折減來(lái)考慮填充墻部分對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度的影響，也就是說(shuō)，目前對(duì)該種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在本質(zhì)上仍是按純框架進(jìn)行的．

目前關(guān)于型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)的研究尚不多見(jiàn)，且大多數(shù)研究主要只針對(duì)于型鋼再生混凝土梁柱的研究[1-3]，而對(duì)結(jié)構(gòu)整體層面的研究尚未深入開(kāi)展．實(shí)現(xiàn)其基于性能抗震設(shè)計(jì)理論的核心問(wèn)題即是確定這種結(jié)構(gòu)在各個(gè)不同性能水平下的容許變形值，結(jié)構(gòu)性能水平可以用這些主要的參數(shù)來(lái)劃分，但目前對(duì)此方面的研究還比較欠缺，在上述的研究意義和研究背景下，筆者通過(guò)2榀1/2.5比例單層單跨型鋼再生混凝土框架-填充墻試件的擬靜力加載試驗(yàn)，研究此種結(jié)構(gòu)功能失效的判別參數(shù)和容許變形值大?。?/p>

1 試驗(yàn)概述

1.1 試件設(shè)計(jì)及參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑閮砷?:2.5縮尺的單層單跨型鋼再生混凝土平面框架，具體參數(shù)見(jiàn)表1．框架層高1440 mm，跨度2280 mm．框架梁截面為b×h=150 mm×240 mm，其中縱筋采用14帶肋鋼筋，箍筋采用?6光圓鋼筋，在梁端500 mm加密區(qū)布置形式為?6@40，其余非加密區(qū)布置形式為?6@80；框架柱截面尺寸為b×h=180 mm×240 mm，配鋼率為4.98%，采用Q235B級(jí)14號(hào)薄壁工字鋼；配筋率為1.43%，縱向鋼筋和箍筋分別采用14鋼筋與?8帶肋鋼筋，在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)以及柱端450 mm加密區(qū)范圍內(nèi)布置為?8@50，非加密區(qū)布置為?8@100；實(shí)測(cè)28 d再生混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度平均值為52.02 MPa．試件的幾何尺寸及構(gòu)件的配筋、配鋼形式如圖1所示，試驗(yàn)所用混凝土為100%再生骨料取代率的再生混凝土．

表1 試件參數(shù)Tab.1 Parameter of specimens

圖1 試件幾何尺寸與梁柱截面形式Fig.1 Geometry and form of column-beam

1.2 試驗(yàn)加載方案

本試驗(yàn)在西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程抗震試驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置如圖2所示．

圖2 加載裝置Fig.2 Test setup

試驗(yàn)時(shí)采用力-位移混合控制加載制度，首先在兩個(gè)框架柱的柱頂施加豎向荷載，然后在梁端分級(jí)施加水平荷載．在試件屈服前按力加載，每級(jí)增加30kN；試件屈服后按位移控制，每級(jí)增加的位移為屈服位移的倍數(shù)．最后，當(dāng)荷載下降到極限荷載的85%以下，加載結(jié)束．在框架梁端、柱端的縱筋、箍筋及型鋼翼緣上布置應(yīng)變片，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)型鋼腹板上布置應(yīng)變花，以測(cè)量相應(yīng)位置處型鋼及鋼筋應(yīng)變值；在基礎(chǔ)梁端、框架梁端設(shè)置電子位移計(jì)，用以量測(cè)相應(yīng)位置變形．

2 結(jié)構(gòu)性能水平及抗震性能目標(biāo)

2.1 四個(gè)性能水平及其極限狀態(tài)

我國(guó)抗震規(guī)范將結(jié)構(gòu)性能分為不受損壞繼續(xù)使用、可能損壞但經(jīng)一般修理或不需修理仍可使用、不發(fā)生危及生命及不倒塌的嚴(yán)重破壞，即“小震不壞、中震可修、大震不倒”3個(gè)性能水平；美國(guó)FEMA356規(guī)范將主體結(jié)構(gòu)性能分為正常運(yùn)行、立即使用、生命安全和防止倒塌4個(gè)水平；美國(guó)加州工程師學(xué)會(huì)基于性能抗震設(shè)計(jì)的4個(gè)性能水平為充分運(yùn)行、正常運(yùn)行、生命安全和接近倒塌．

本文按照我國(guó)抗震設(shè)計(jì)的需要和建筑損傷的程度，對(duì)型鋼再生混凝土結(jié)構(gòu)采用正常使用、暫時(shí)使用、生命安全和接近倒塌四個(gè)性能水平[4]．

2.2 性能目標(biāo)

我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定：結(jié)構(gòu)的性能不能低于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的基本抗震設(shè)防目標(biāo)，同時(shí)規(guī)范還給出“性能1～性能4”的四種性能目標(biāo)供結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能設(shè)計(jì)時(shí)選擇應(yīng)用．本文按照四個(gè)性能水平和三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)，根據(jù)型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)實(shí)際可能出現(xiàn)的情況和抗震級(jí)別的高低性，建立了4個(gè)抗震性能目標(biāo)，如表2所示．

表2 抗震性能目標(biāo)Tab.2 Seismic performance objectives

3 型鋼再生混凝土柱的性能指標(biāo)量化

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，型鋼再生混凝土框架的變形能力主要取決于型鋼再生混凝土柱的變形能力，因此，本文首先給出型鋼再生混凝土柱在不同性能水平時(shí)的變形容許值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究型鋼再生混凝土框架的性能指標(biāo)．

3.1 型鋼再生混凝土柱的破壞形態(tài)

課題組前期的試驗(yàn)結(jié)果表明[5]，低周反復(fù)荷載作用下型鋼再生混凝土柱有三種破壞形態(tài)，分別為剪切斜壓破壞、彎剪破壞和彎曲破壞．

小剪跨比（λ=1.40＜1.50，即短柱）試件發(fā)生剪切斜壓破壞．首先試件中部再生混凝土出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)反復(fù)水平荷載增加至一定數(shù)值時(shí)，在試件中部位置出現(xiàn)較為明顯的交叉斜裂縫，且隨著水平荷載的增加，交叉斜裂縫逐漸增多，與此同時(shí)，柱根處也相應(yīng)地出現(xiàn)水平彎曲裂縫，進(jìn)入屈服狀態(tài)以后，試件中部再生混凝土逐漸被交叉主斜裂縫分割為若干個(gè)斜向棱柱體；箍筋外圍再生混凝土首先被壓碎脫落，而后逐漸向柱核心部位延伸擴(kuò)展，直至斜向棱柱體被壓碎脫落，試件破壞．

剪跨比λ=1.85（1.5≤λ≤2）的試件發(fā)生彎剪破壞．首先水平彎曲裂縫出現(xiàn)在試件柱根處，隨后，水平彎曲裂縫由于受到型鋼翼緣約束作用而逐漸發(fā)展為斜裂縫；當(dāng)試件達(dá)到屈服后，斜裂縫的發(fā)展速度較水平彎曲裂縫慢，水平裂縫長(zhǎng)度不斷延伸且變寬；隨著加載的進(jìn)一步進(jìn)行，型鋼翼緣外側(cè)再生混凝土開(kāi)始?jí)核閯兟?，且逐漸向柱中部擴(kuò)散，最后型鋼翼緣壓屈外鼓，試件喪失承載力而發(fā)生破壞．

當(dāng)剪跨比較大時(shí)，型鋼再生混凝土柱發(fā)生彎曲破壞形態(tài)．首先在試件的柱根處出現(xiàn)水平彎曲裂縫，隨著加載的繼續(xù)，沿試件高度出現(xiàn)少許斜裂縫，其發(fā)展較為緩慢，而水平彎曲裂縫則陸續(xù)增多，且原有水平彎曲裂縫逐漸延伸擴(kuò)展；隨著荷載的增大，原有水平彎曲裂縫延伸擴(kuò)展迅速，水平彎曲裂縫最終相互貫通，柱根處混凝土被壓碎剝落；在位移加載循環(huán)作用下，再生混凝土大量脫落，型鋼壓屈，箍筋外鼓，最終導(dǎo)致試件發(fā)生破壞．

3. 2 型鋼再生混凝土柱不同性能水平的失效判別標(biāo)準(zhǔn)

不管是剪切斜壓破壞，還是彎曲破壞，型鋼再生混凝土柱的混凝土被壓碎脫落后，承載力都不會(huì)立即下降，這和鋼筋混凝土構(gòu)件區(qū)別較大．原因是混凝土退出工作后，截面內(nèi)力還可由型鋼承擔(dān)，而鋼材是延性很好的材料，因此型鋼再生混凝土柱的承載力衰減緩慢，表現(xiàn)出良好的延性，在建立其不同性能水平的失效判別標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需要考慮該特點(diǎn)[6]．判別標(biāo)準(zhǔn)如表3所示．

3.3 型鋼再生混凝土柱不同性能水平的變形容許值

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5]，不同破壞形式的型鋼再生混凝土柱在各個(gè)性能水平對(duì)應(yīng)的側(cè)移角分布比如表4和表5所示．

表3 不同性能水平下型鋼再生混凝土柱的性態(tài)描述及失效判別標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Performance description and failure criteria of different performance levels

表4 剪切斜壓破壞柱對(duì)應(yīng)的側(cè)移角分布比Tab.4 Distribution proportion of displacement angle of shear baroclinic destruction

表5 彎曲破壞柱對(duì)應(yīng)的側(cè)移角分布比Tab.5 Distribution proportion of displacement angle of bending destruction

盡管所統(tǒng)計(jì)型鋼再生混凝土柱構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)不盡相同，但其側(cè)移角在各個(gè)性能水平的分布仍然呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性．綜上所述，將型鋼混凝土柱正常使用、暫時(shí)使用、生命安全及接近倒塌四個(gè)性能水平對(duì)應(yīng)的側(cè)移角容許值列于表6中．

表6 型鋼再生混凝土柱不同性能水平對(duì)應(yīng)的側(cè)移角容許值Tab.6 Limit value of displacement angle of different performance level

4 型鋼再生混凝土框架—填充墻結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)的量化

性階段，結(jié)構(gòu)喪失大部分剛度和強(qiáng)度，修復(fù)已經(jīng)不可能，以梁端柱端混凝土發(fā)生大面積破碎為接近倒塌極限狀態(tài)．

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，各試件填充墻體部分均出現(xiàn)了非常明顯的斜向交叉裂縫，大致沿斜向上60°與斜向下60°方向開(kāi)展，隨著荷載的增加，填充墻的破壞逐漸嚴(yán)重，裂縫寬度加大，直至脫落，剪切作用相當(dāng)明顯．試驗(yàn)中各梁端及柱底小范圍內(nèi)出現(xiàn)彎曲裂縫，斜向剪切裂縫出現(xiàn)很少，梁端縱筋最先達(dá)到屈服，其次柱中縱筋及型鋼屈服，柱根處型鋼及縱筋屈服時(shí)間較晚．框架除填充墻主體外均發(fā)生彎曲破壞，表明梁塑性鉸先于柱出現(xiàn)，符合“梁鉸機(jī)制”形成過(guò)程，同時(shí)填充砌塊強(qiáng)度等級(jí)較低，所砌墻體對(duì)框架主體柱的約束效應(yīng)不強(qiáng)，不會(huì)出現(xiàn)剪切斜壓破壞．試件的破壞形態(tài)如圖3所示．

4.1 型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)

型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了填充墻開(kāi)裂、梁柱開(kāi)裂、梁柱混凝土壓潰剝落，受壓縱筋和型鋼受壓翼緣屈服，承載力上升至峰值的各個(gè)階段，最終框架承載力降低至峰值的85%．為了與上述四個(gè)性能水平一致，將該種結(jié)構(gòu)整個(gè)受力過(guò)程劃分為彈性工作階段、裂縫開(kāi)展工作階段、彈塑性工作階段以及破壞階段[7]．

對(duì)于型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)，從開(kāi)始加載到填充墻出現(xiàn)微小裂縫(0.05-0.1 mm)為正常使用階段，但是不會(huì)形成貫通斜裂縫，梁柱均未出現(xiàn)損傷，結(jié)構(gòu)從使用和安全角度來(lái)看不需要任何修復(fù)，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，無(wú)任何殘留變形；從混凝土梁柱開(kāi)始出現(xiàn)裂縫到填充墻裂縫貫通為暫時(shí)使用階段，此階段是帶裂縫工作階段，破壞在可修范圍內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)所有基本功能的運(yùn)行，以梁柱部分受拉縱筋屈服為暫時(shí)使用性能極限狀態(tài)，此時(shí)殘留變形可以忽略；從梁柱縱筋出現(xiàn)屈服到混凝土脫落，荷載達(dá)到峰值作為生命安全階段，此為彈塑性工作階段，此時(shí)結(jié)構(gòu)喪失了部分剛度和強(qiáng)度，填充墻體已基本完全破壞，以水平荷載達(dá)到峰值為生命安全性能的標(biāo)志；從結(jié)構(gòu)承載力達(dá)到極值持續(xù)到混凝土保護(hù)層壓潰嚴(yán)重剝落、梁柱端部縱筋箍筋完全裸露且承載力嚴(yán)重下降為接近倒塌性能階段，此階段為塑

圖3 破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes

4.2 型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)不同性能水平的失效判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，將各性能水平下整體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象描述列于表7中．

表7 型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)性能水平描述Tab.7 Performance level description of SRRC frame structure with infilled wall

4.3 型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)不同性能水平的容許變形值

整體結(jié)構(gòu)的變形是梁、柱及其節(jié)點(diǎn)變形的綜合結(jié)果，因此，前面分析得出的型鋼再生混凝土柱在四個(gè)性能水平的側(cè)移角限值不能作為型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)的層間位移角限值．但由于框架的變形能力主要取決于柱的變形能力，故確定型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)在四個(gè)性能水平的層間位移角限值時(shí)應(yīng)考慮型鋼再生混凝土柱的側(cè)移角限值．

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外可查得的型鋼混凝土純框架和鋼筋混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)[8-10]試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，試件在初始彈性階段的層間位移角分布范圍為1/2 800～1/5 280，其中1/5 280對(duì)應(yīng)的型鋼再生混凝土柱軸壓比較高，表明增大軸壓比，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂時(shí)對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)水平位移減小．大部分試件的彈性階段末期位移角主要處于1/320～1/590范圍內(nèi)；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果篩查發(fā)現(xiàn)，型鋼混凝土柱底型鋼腹板或受拉鋼筋屈服的層間位移角分布在1/120～1/220的范圍內(nèi)，其中1/120對(duì)應(yīng)的是所有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中軸壓比最大的試件，表明隨著軸壓比的增大，結(jié)構(gòu)所受P-Δ二階效應(yīng)更加顯著，使層間位移角有增大的趨勢(shì)，不利于結(jié)構(gòu)抗震[11]；所有試件在加載末期臨近破壞階段的層間位移角分布均在1/85附近．綜合以上數(shù)據(jù)，并考慮型鋼再生混凝土柱的四個(gè)性能水平的位移角限值，將型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)的正常使用、暫時(shí)使用、生命安全及接近倒塌四個(gè)性能水平對(duì)應(yīng)的側(cè)移角容許值列于表8中．

5 結(jié)論及建議

(1)填充墻體部分均出現(xiàn)了較為明顯的交叉裂縫，裂縫大致沿墻體角部斜向上60°方向或斜向下60°方向開(kāi)展，填充墻破壞嚴(yán)重，框架梁、柱斜向剪切裂縫較少，均發(fā)生彎曲破壞，柱底型鋼及縱筋屈服時(shí)間較晚，柱底晚于梁端形成塑性鉸，符合“梁鉸機(jī)制”．

(2)將型鋼再生混凝土-填充墻結(jié)構(gòu)的性能水平劃分為正常使用、暫時(shí)使用、生命安全和接近倒塌四個(gè)等級(jí)，并給出了各個(gè)水平的現(xiàn)象描述；

(3)總結(jié)了型鋼再生混凝土柱和型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)在不同性能水平的破壞形態(tài)，提出了四個(gè)性能水平對(duì)應(yīng)的失效判別標(biāo)準(zhǔn)和具體參數(shù)，建議剪切斜壓破壞的型鋼再生混凝土柱在不同性能水平對(duì)應(yīng)的側(cè)移角容許值分別取為：1/325，1/85，1/45，1/40；彎曲破壞的分別取為：1/500，1/160，1/75，1/50；型鋼再生混凝土框架-填充墻結(jié)構(gòu)各自的側(cè)移角分別取1/3 000、1/500、1/160和1/85．

(4)由于試驗(yàn)條件的限制，本文所提出的四個(gè)性能水平的容許變形值所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)樣本還不夠豐富，還需要考慮諸如拉筋間距、填充墻砌塊強(qiáng)度等影響因素；并應(yīng)通過(guò)數(shù)值模擬的方式，將試驗(yàn)結(jié)果與其對(duì)應(yīng)起來(lái)，從理論推導(dǎo)上建立該種結(jié)構(gòu)容許變形值的計(jì)算公式；同時(shí)，筆者論述的型鋼再生混凝土結(jié)構(gòu)僅僅針對(duì)框架，局限性較強(qiáng)，仍需要進(jìn)行型鋼再生混凝土剪力墻及其他結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究與理論推導(dǎo)，從而全面的為型鋼再生混凝土結(jié)構(gòu)性態(tài)水平設(shè)計(jì)提供理論標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中．

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