框支密肋復(fù)合墻體擬靜力試驗研究

賈穗子，曹萬林，袁 泉

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，100124北京;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，100044北京)

近年來，隨著人們對生活環(huán)境和工作條件要求的提高，現(xiàn)代建筑向著多功能、多用途方向發(fā)展.為滿足建筑使用功能的需要，底部框架-抗震墻砌體結(jié)構(gòu)、框支剪力墻結(jié)構(gòu)得到較廣泛應(yīng)用.然而，歷次地震震害顯示，底層框架-抗震墻砌體房屋發(fā)生嚴重破壞，承重墻體材料在已有的大開間住宅中沒有得到充分的利用，關(guān)鍵部位受力不合理，剛度分布不靈活［1-3］.框支剪力墻結(jié)構(gòu)雖然突破了框支砌體結(jié)構(gòu)房屋對高度和層數(shù)的限制，且抗震性能優(yōu)于框支砌體結(jié)構(gòu)房屋，適用于底部大空間的高層建筑，但其造價高、自重大、施工較復(fù)雜，且底部易成為薄弱層，產(chǎn)生變形集中［4-6］.

本文將新型抗震結(jié)構(gòu)體系密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)引入底部大空間，形成框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu).由于密肋復(fù)合墻體具有可靠的整體性、良好的冗余性、較好的耗能性、靈活的剛度可調(diào)性［7-9］等特點，因此有利于框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)薄弱層承載力與剛度的合理匹配.

本文通過對兩榀恒定豎向荷載作用下的框支-密肋復(fù)合墻體試件擬靜力試驗，分析墻體破壞過程、傳力機理、滯回特性等抗震性能，并對結(jié)構(gòu)總體剛度退化特征、殘余變形率進行分析，得到結(jié)構(gòu)在受力性能、破壞形態(tài)和抗倒塌能力方面的特點，為工程設(shè)計提供參考依據(jù).

1 試驗概況

1.1 密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)

密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)(圖1(a))采用獨特嵌套式結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，由預(yù)制的密肋復(fù)合墻板、現(xiàn)澆的隱形外框和樓板組成［10-11］，其中，密肋復(fù)合墻板(圖1(b))是由截面及配筋率較小的鋼筋混凝土肋梁和肋柱構(gòu)成框格，內(nèi)嵌以輕質(zhì)保溫型填充砌塊預(yù)制而成;隱形框架是由鋼筋混凝土邊框柱、連接柱和暗梁澆筑而成.在受力過程中，密肋復(fù)合墻板一方面受到隱形外框的約束作用，另一方面又對隱形框架施加反作用，兩者相互作用，充分發(fā)揮各自性能，形成密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)主要承力構(gòu)件—密肋復(fù)合墻體.

圖1 密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)

1.2 試件制作及加載情況

兩榀試件的制作基于前期進行的不等跨框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)模型(MLB-1和 MLB-2)［10］，并參考“二托四”框剪—密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)配筋尺寸圖［12］，1/2比例縮尺，以 MLB-3和 MLB-4編號.其中，MLB-3選取原型結(jié)構(gòu)中二層和三層橫向單跨底部框剪-密肋復(fù)合墻體.MLB-4上部密肋復(fù)合墻板中由肋梁、肋柱組成的正交框格變?yōu)樾苯豢蚋?，并?nèi)嵌相應(yīng)形狀的輕質(zhì)砌塊，試件模型尺寸配筋見圖2.

采用荷載-位移控制的混合加載制度，首先豎向千斤頂施加200 kN恒定豎向荷載，之后施加水平反復(fù)荷載，每級循環(huán)一次且遞增30 kN，試件屈服后，采用位移控制，每級循環(huán)一次，位移增加5 mm.

圖2 試件尺寸配筋圖(mm)

1.3 試驗過程

1.3.1 MLB-3

水平荷載達到255 kN時，剪力墻底部出現(xiàn)裂縫，上部密肋墻在靠近連接柱的兩側(cè)均產(chǎn)生微量斜向裂縫;繼續(xù)加載到300 kN時，砌塊裂縫明顯變寬，框支梁和框支柱也出現(xiàn)多條裂縫;加載到550 kN時，砌塊與肋格、密肋墻板與框支梁交界處出現(xiàn)少量分離現(xiàn)象，砌塊表面脫落點較多，試件屈服;按位移控制加載，位移達到45 mm時，砌塊表皮不斷剝落，剪力墻向外鼓出;位移達到55 mm時，砌塊碎裂嚴重，框支柱鋼筋屈服，上下層坐漿滑移，試件破壞.MLB-3構(gòu)件在各階段破壞情況見圖3.

圖3 MLB－3構(gòu)件裂縫

1.3.2 MLB-4

在彈性階段，水平荷載小于250 kN時，剪力墻和框支柱底部出現(xiàn)微裂縫.當水平荷載增加到360 kN時，墻體中部砌塊產(chǎn)生斜裂縫，試件進入彈塑性階段;在660 kN時，框支柱底部水平貫通裂縫寬度達到5 mm，密肋復(fù)合墻與框支梁間坐漿開裂，框支梁柱節(jié)點及框支梁與抗震墻交界處裂縫加大，試件屈服;此后按位移控制加載，當位移達到48 mm時，框支柱柱腳出現(xiàn)斜裂縫，砌塊出現(xiàn)大量裂縫，并零星剝落;繼續(xù)增加位移至54 mm時，框支柱底部出現(xiàn)較多交叉斜裂縫，水平貫穿裂縫寬度達到5 mm，柱腳混凝土局部壓潰.MLB-4構(gòu)件在各階段破壞情況見圖4.

圖4 MLB－4構(gòu)件裂縫

在兩榀試件破壞過程中，MLB-3二層密肋復(fù)合墻體比 MLB-4破壞嚴重，而底層框剪結(jié)構(gòu)比MLB-4裂縫及混凝土剝落現(xiàn)象少.密肋復(fù)合墻體在整個受力過程中按照3道抗震防線，即填充砌塊-密肋框格-隱形框架的破壞模式依次耗能.進一步說明試件的設(shè)計符合耗能減震的要求.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 傳力機理

兩榀試件密肋復(fù)合墻板中砌塊和鋼筋混凝土用量，框格橫截面及配筋率基本相同，但MLB-4的開裂荷載和屈服荷載比MLB-3分別增加45%、22%，主要因為MLB-4中斜交的肋格不僅約束砌塊，與砌塊共同受力，還起到類似桁架的作用，斜向框格受力變形形成明顯斜壓桿效應(yīng)，主應(yīng)力沿斜交肋格方向分別向兩側(cè)邊框柱和框支梁傳遞.采用ANSYS建立二維平面單元，分析墻體彈塑性階段鋼筋應(yīng)力云圖(圖5)，由圖可見，主應(yīng)力沿交叉肋格方向向下傳力清晰可見，進一步證明斜交肋格的構(gòu)造形式，改變傳力途徑，使得下層結(jié)構(gòu)受力增大，上下層剛度合理分配.

圖5 鋼筋應(yīng)力云圖

2.2 滯回曲線

由層間滯回曲線圖6可知:MLB-4斜交肋格的構(gòu)造形式使得墻體上下層剛度比更合理，層間位移變形更充分.此外，由于抗震墻的設(shè)置，底部抗側(cè)剛度變大，兩片墻體二層層間位移均比一層大，變形集中于第二層，第二層為薄弱層.

2.3 鋼筋應(yīng)變分析

2.3.1 框支柱鋼筋應(yīng)變

荷載在正負交替加載過程中，鋼筋應(yīng)變始終為正(圖7(a))，說明鋼筋受拉應(yīng)變明顯大于受壓應(yīng)變，這是因為混凝土開裂后受拉區(qū)縱筋應(yīng)變充分發(fā) 揮，而受壓區(qū)縱筋受到混凝土壓應(yīng)變限制應(yīng)力較小.

圖6 試件的層間滯回曲線

2.3.2 抗震墻水平分布鋼筋應(yīng)變

由于MLB-4上部密肋復(fù)合墻體中斜交肋格的構(gòu)造形式，可使主應(yīng)力沿斜向肋格交叉方向充分向抗震墻傳力.由圖7(b)可看出，在相同加載機制下，MLB-4鋼筋應(yīng)變比MLB-3大，且鋼筋的應(yīng)變趨勢仍以受拉應(yīng)變?yōu)橹?

圖7 構(gòu)件鋼筋應(yīng)變圖

2.4 殘余變形率分析

結(jié)構(gòu)殘余變形反映了結(jié)構(gòu)的損傷程度和變形修復(fù)能力［13］.本文采用平均殘余變形率δi，探討框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)可修復(fù)性能，見表1.從表1可得:試件δi值逐漸增加;在試件達到峰值荷載時，其殘余變形增長速率緩慢;當試件最終破壞時，其殘余變形率仍然沒有達到0.5.說明底部框剪-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)具有較強的變形恢復(fù)能力，最終破壞后的殘余變形較小，結(jié)構(gòu)具有良好的可修復(fù)性，且MLB-4的后期修復(fù)功能更強.

表1 試件殘余變形率

2.5 框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計建議

2.5.1 房屋適用高度和高寬比

框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)除應(yīng)參照GB50010—2011《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求，結(jié)合《密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中多層和高層密肋復(fù)合墻板適用層數(shù)、高度和高寬比的設(shè)計，建議底部設(shè)置剪力墻的框支-密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，適用層數(shù)、高寬比限值見表2.

表2 框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)適用層數(shù)及房屋高寬比限值

2.5.2 地震作用

1)高度不超過40 m、以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法進行簡化計算.對于不適合采用底部剪力法計算的結(jié)構(gòu)可采用振型分解反應(yīng)譜法進行分析.

2)密肋復(fù)合墻體砌塊開裂后，砌塊內(nèi)部裂縫界面摩擦過程會形成較高的阻尼，框支密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系在彈性動力分析時的阻尼比仍取0.05.

3 結(jié)論

1)底部框剪-密肋復(fù)合墻體的破壞形式以上部密肋復(fù)合墻體和底部抗震墻破壞為主.底層框支柱和抗震墻鋼筋應(yīng)變在低周反復(fù)荷載作用下主要為受拉應(yīng)變.密肋復(fù)合墻體按照填充砌塊-密肋框格-隱形框架的破壞模式實現(xiàn)分級能量釋放，形成結(jié)構(gòu)的多道抗震防線，結(jié)構(gòu)具備較高承載能力和抗倒塌能力.

2)下部抗震墻的存在，對框支柱起到支撐和約束作用，彌補底部大空間所造成的承載力和剛度降低，避免因底層框支柱變形過大而發(fā)生破壞.

3)上部密肋復(fù)合墻板采用斜交肋格的構(gòu)造形式，起到類似桁架的作用，改變傳力途徑，上下層層間位移變形發(fā)展更充分且剛度分配更合理.

4)框支密肋復(fù)合墻體具有較強變形恢復(fù)能力，在最終破壞后的殘余變形較小，結(jié)構(gòu)具有良好的可修復(fù)性，斜交肋格構(gòu)造形式使得結(jié)構(gòu)后期修復(fù)功能更強.

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