適于低層農(nóng)房的裝配式輕鋼邊框-薄墻板組合結(jié)構(gòu)抗震性能試驗研究

賈穗子　 曹萬林　 王如偉　 劉文超　 任樂樂

(1中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)(2北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室，北京100124)

住宅產(chǎn)業(yè)化在城市住宅建設(shè)中正發(fā)揮著越來越大的作用，節(jié)能減排、減少污染、快速裝配的優(yōu)勢逐漸被市場所接受.然而，農(nóng)房產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢，研發(fā)模塊化低層農(nóng)房結(jié)構(gòu)體系和工業(yè)化建造技術(shù)，成為農(nóng)村建設(shè)與發(fā)展的巨大需求.基于我國農(nóng)房量大面廣、多數(shù)地區(qū)經(jīng)濟技術(shù)基礎(chǔ)薄弱、抗震節(jié)能技術(shù)不足的現(xiàn)狀，研發(fā)利用建筑垃圾資源化建材和輕鋼建材的裝配式抗震節(jié)能一體化農(nóng)房結(jié)構(gòu)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

國內(nèi)外學(xué)者已對輕鋼框架節(jié)點及框架與墻板裝配技術(shù)展開了眾多研究.余志武等[1]進行了裝配式剪力墻U型套箍連接節(jié)點抗震性能試驗研究，結(jié)果表明，采用U型套箍連接方式的裝配式剪力墻與現(xiàn)澆剪力墻的承載能力與抗震性能相似.Goggins等[2]通過循環(huán)加載試驗分析了軸力作用下矩形和方形鋼管支撐組合墻體構(gòu)件的受力特性，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件的承載力退化，延性隨構(gòu)件的長細比變化而顯著變化.Corte等[3]基于冷彎薄壁型鋼組合墻體低周反復(fù)荷載試驗，提出了考慮捏縮效應(yīng)的Richard-Abbott滯回模型.

本文基于裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性能，并將墻體采用課題組前期研發(fā)的單排配筋再生混凝土墻板[4]，設(shè)計了裝配式輕鋼邊框-單排配筋薄墻板組合結(jié)構(gòu)，將輕鋼材料用于農(nóng)村住宅，提高了農(nóng)房抗震性能，緩解了鋼材產(chǎn)量過剩的窘境.將再生混凝土材料用于農(nóng)房建造，是建筑垃圾資源化的重要組成部分.該裝配式組合結(jié)構(gòu)滿足了綠色農(nóng)房工業(yè)化生產(chǎn)、高性能抗震和生態(tài)環(huán)保建材利用的需求.

1　試驗

1.1　試件設(shè)計及制作

設(shè)計了6個裝配式輕鋼邊框-單排配筋薄墻板組合結(jié)構(gòu)試件.試件主要參數(shù)為再生混凝土墻板厚度、鋼筋暗支撐及鋼管邊框截面面積(見表1).

表1　試件具體參數(shù)

薄墻板采用單排配筋再生混凝土墻板，鋼骨架包括厚4 mm寬40 mm的邊框鋼板、直徑為5 mm的雙向分布鋼筋和鋼筋暗支撐.在位于墻板四周的邊框鋼板上設(shè)螺栓孔，用于連接框架梁、柱上鋼板條對應(yīng)的螺栓孔，墻板與框架連接螺栓為M10型螺栓.再生混凝土粗骨料取代率為100%，再生粗骨料粒徑為5～10 mm，細骨料為天然砂，再生混凝土設(shè)計強度為C40.墻板內(nèi)鋼板邊框、梁柱側(cè)鋼板條采用Q235級鋼材，方鋼管采用無縫鋼管.框架梁柱節(jié)點由2個等邊角鋼組成，一端與柱焊接，另一端靠螺栓與梁栓接，在角鋼中部焊接加勁肋，并在其斜邊上焊接直徑為20 mm的短鋼筋，形成加強型節(jié)點構(gòu)造.試件尺寸及構(gòu)造見圖1.

圖1試件幾何尺寸及構(gòu)造(單位：mm)

試件所用的再生混凝土各組分含量見表2，鋼材力學(xué)性能見表3.

表2　再生混凝土各組分體積質(zhì)量　kg/m3

表3　鋼材力學(xué)性能

1.2　加載方案

試驗時，首先在分配梁頂面中心處通過豎向千斤頂-滾軸支座-反力架-油壓控制系統(tǒng)施加豎向荷載600 kN，并控制該荷載在試驗過程中保持不變，軸壓比約為0.59.然后，分級施加低周反復(fù)水平荷載，加載點在加載梁高度中心處，距基礎(chǔ)頂面高度為1 480 mm.

試驗采用位移控制加載.加載至位移角為1/500 和1/50之前，位移增量分別為1/2 500和1/500；加載至位移角為1/50時，位移增量為3/500.試驗過程中，加載速率保持一致，直至試件明顯破壞、無法繼續(xù)加載或水平荷載下降到峰值荷載的85%以下，結(jié)束加載.試驗加載制度及試驗現(xiàn)場見圖2.

(a) 加載制度

(b) 試驗現(xiàn)場

1.3　試驗現(xiàn)象

對于試件FCW1，首先在框架梁中部出現(xiàn)輕微翹曲變形；隨位移角增大，柱腳鋼管呈內(nèi)外凹凸變形；位移角達到1/62時，柱腳漆皮大面積脫落，柱腳鋼管壓屈(見圖3(a))，試驗結(jié)束.

對于試件FCW2，受壓后鋼管柱與再生混凝土分離工作，梁端連接節(jié)點螺栓輕微滑移，通過節(jié)點區(qū)耗能，減小梁端損傷；隨位移角增大，框架梁發(fā)生翹曲變形(見圖3(b))；位移角達到1/23時，鋼管內(nèi)再生混凝土壓碎，柱腳內(nèi)側(cè)鼓凸變形，節(jié)點區(qū)下方柱頂內(nèi)側(cè)的鋼板撕裂，試驗結(jié)束.與試件FCW1相比，鋼管柱腳部變形較小.

對于試件FCW3，隨荷載增大，沿單排配筋再生混凝土薄墻板主對角線兩側(cè)再生混凝土開始剝落；繼續(xù)加載，墻板邊緣與輕鋼邊框連接螺栓松動，兩者開始錯動；加載至荷載達到極限值時，墻板角部及主斜裂縫兩側(cè)再生混凝土剝落現(xiàn)象顯著，薄墻板作為第1道防線失效，呈剪切破壞；繼續(xù)加載，薄墻板明顯破壞，但骨架仍然與輕鋼框架共同工作(見圖3(c))；之后，輕鋼框架作為第2道防線開始耗能，當位移角達到1/26時，輕鋼框架的梁和柱彎曲破壞，墻板下部與輕鋼邊框部分分離.

試件FCW4的試驗現(xiàn)象與試件FCW3相似，且通過斜向暗支撐的設(shè)置，有效抑制了墻板裂縫，使得墻板形成4個穩(wěn)定的三角形區(qū)域，耗能較試件FCW3更高.當位移角達到1/19時，試驗停止，鋼管柱壓屈(見圖3(d)).

試件FCW5與試件FCW3相比，墻板過早出現(xiàn)裂縫，墻板與邊框連接處再生混凝土剝落嚴重，墻板厚度降低了30%，結(jié)構(gòu)整體承載力下降了29%；當位移角達到1/18時，試驗停止，鋼邊框與墻板四角連接處發(fā)生破壞，墻板中分布鋼筋在與鋼邊框的焊點處被拉斷(見圖3(e)).由于墻板本身厚度偏小，斜向暗支撐的設(shè)置會使得墻板中保護層厚度偏薄，墻板容易過早發(fā)生破壞，因此不宜設(shè)置暗支撐.

(a) FCW1

(b) FCW2

(c) FCW3

(d) FCW4

(e) FCW5

(f) FCW6

圖3結(jié)構(gòu)局部破壞

試件FCW6與試件FCW3 相比，鋼管截面增大了4%，從而明顯加大了鋼邊框的約束作用，墻板承載力提高了12%.由于柱子剛度過大，薄墻板與鋼邊框剛度不協(xié)調(diào)，不能與墻體更好地共同工作，結(jié)構(gòu)破壞時上部柱角連接處鋼板撕裂(見圖3(f)).結(jié)構(gòu)的整體破壞見圖4.

(a) FCW1

(b) FCW2

(c) FCW3

(d) FCW4

(e) FCW5

(f) FCW6

圖4結(jié)構(gòu)整體破壞

綜上，結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)為：空鋼管框架結(jié)構(gòu)中鋼管在平面內(nèi)發(fā)生鼓凸變形，平面外發(fā)生內(nèi)凹變形，最終柱腳鋼管壓潰；鋼管再生混凝土框架最終節(jié)點區(qū)下部再生混凝土壓碎，鋼板屈服形成塑性鉸直至撕裂破壞；鋼管邊框-薄墻板組合結(jié)構(gòu)中薄墻板剪切破壞，邊框的約束作用可有效減緩輕墻的損傷破壞；輕鋼框架的梁和柱破壞形態(tài)為彎曲破壞；加強型節(jié)點沒有明顯破壞，實現(xiàn)梁和柱的可靠連接.

2　試驗結(jié)果及分析

2.1　滯回性能

圖5為各試件的實測荷載(F)-位移(δ)滯回曲線.由圖可知，試件FCW1耗能能力差，試件屈服后，由于承載力低，很快進入破壞階段，安全儲備能力較小.試件FCW2鋼管內(nèi)灌入了再生混凝土，滯回曲線飽滿，與試件FCW1相比，承載力與延性均明顯提高，表現(xiàn)出較好的抗震耗能能力.試件FCW3中薄墻板與輕鋼框架的裝配，使得組合結(jié)構(gòu)整體既為受力體系又為功能體系，滯回曲線表現(xiàn)出明顯的2道抗震防線，薄墻板為第1道防線，輕鋼邊框為第2道防線，薄墻板的填充強化作用明顯減緩了輕鋼框架側(cè)向位移的發(fā)展.與試件FCW3相比，試件FCW4中薄墻板中斜向鋼筋暗支撐的設(shè)置，使得結(jié)構(gòu)承載能力、延性及耗能能力明顯提高.試件FCW5與試件FCW3相比，墻體變薄，承載力下降，滯回曲線不如試件FCW3飽滿，但第2道防線延性增強.試件FCW6與試件FCW3相比，邊框鋼管柱截面增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體承載能力和延性增強.

2.2　承載力分析

結(jié)構(gòu)在受力過程中峰值狀態(tài)與破壞狀態(tài)通過試驗數(shù)據(jù)采集所得，屈服狀態(tài)采用能量法計算得到.各試件特征點見表4.

表4　試件主要特征點

注：Fy，δy分別為屈服荷載與位移；Fm，δm分別為峰值荷載與位移；Fu，δu分別為極限荷載與位移.

(a) FCW1與FCW2

(b) FCW2與FCW3

(c) FCW3與FCW4

(d) FCW3與FCW5

(e) FCW3與FCW6

圖5各試件滯回曲線對比

鋼結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/250.由表4可知，試件FCW1和試件FCW2的屈服位移角分別為1/99和1/55，說明帶有加強型節(jié)點的鋼框架在彈性階段具有較好的變形能力，滿足抗震要求.鋼管內(nèi)填充再生混凝土后，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的變形性能.鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值為1/50，F(xiàn)CW2的破壞位移角為1/23，遠大于規(guī)定限值，說明裝配式鋼管再生混凝土框架具有較強的抗倒塌能力. 同時，規(guī)范規(guī)定了鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值為1/100.

試件FCW3～試件FCW6的破壞位移角為1/26～1/18，說明裝配式輕鋼邊框-薄墻板組合結(jié)構(gòu)能較好地保證結(jié)構(gòu)完整性.對于一個低多層農(nóng)房結(jié)構(gòu)，其密度為1.5 t/m2.假設(shè)房間面積為100 m2，在8度抗震設(shè)防烈度情況下，取基本地震加速度最大值0.3g，此時產(chǎn)生的橫向荷載為450 kN，試驗中試件FCW3～試件FCW6的屈服荷載平均值為835 kN，說明結(jié)構(gòu)滿足低多層農(nóng)房建造要求.

2.3　鋼管框架及鋼筋應(yīng)變

本節(jié)給出作為第1道防線的薄墻板內(nèi)豎向和水平分布鋼筋的應(yīng)變，以及第2道防線-輕鋼框架柱腳的應(yīng)變.分布鋼筋實測屈服應(yīng)變?yōu)?.72×10-3.框架柱鋼板實測屈服應(yīng)變?yōu)?.25×10-3.試驗加載過程中各試件分布鋼筋及柱腳外側(cè)測點應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6.

由圖6可見，斜向鋼筋暗支撐的設(shè)置使得分布鋼筋的應(yīng)變在薄墻板承力性能失效之前較小.所有薄墻板在承載力未達到峰值荷載之前，應(yīng)變較小，說明鋼筋與墻體黏結(jié)界面未出現(xiàn)滑移，變形基本保持一致，達到峰值荷載之后，墻體主裂縫處再生混凝土逐漸退出工作，分布鋼筋因水平剪力作用屈服.承載力未達到峰值荷載之前，柱腳應(yīng)變較??；承載力達到峰值荷載之后，墻體破壞，柱腳應(yīng)變存在突變，但仍保持良好的滯回特性，框架工作性能穩(wěn)定.

2.4　耗能能力分析

本節(jié)基于Origin軟件求取各滯回環(huán)外包絡(luò)線所圍面積，并累加計算出試件各道防線耗能及耗能總量，結(jié)果見表5.

(a) 水平分布鋼筋的影響

(b) 豎向分布鋼筋的影響

(c) 再生混凝土的影響

(d) 暗支撐的影響

(e) 墻板及鋼管截面厚度的影響

圖6實測鋼筋及柱腳鋼板應(yīng)變

表5試件各階段累積耗能MN·mm

注：E1為第1道防線耗能；Eg為第1防線道向第2道防線過渡耗能；E2為第2道防線耗能.

由表5可見，試件FCW2鋼管內(nèi)灌入再生混凝土，其耗能較空鋼管提高了6.36倍.試件FCW3中，薄墻板與輕鋼再生混凝土框架通過裝配共同工作，使得組合結(jié)構(gòu)耗能較試件FCW2提高了7.63倍，輕鋼邊框作為第2道防線耗能比試件FCW2提高了2.75倍.試件FCW4中，斜向鋼筋暗支撐的設(shè)置使得第1道防線及總體結(jié)構(gòu)耗能較試件FCW3明顯提高.試件FCW5中，墻板變薄，影響了鋼框架與墻板的共同工作，使得墻板耗能較少，鋼管柱耗能比例明顯提高.試件FCW6邊框柱截面積增大4%，使得第2道防線耗能增加50%，邊框柱的約束作用使得墻板耗能提高，但是墻板失效后墻板鋼骨架與輕鋼邊框的工作性能下降.

2.5　損傷性能分析

本節(jié)采用延性退化損傷指數(shù)Dy[5]、剛度退化損傷模型Dr[6]和Park-Ang 損傷指數(shù)Dp[7-8]對比分析結(jié)構(gòu)損傷過程及破壞特征，具體結(jié)果見表6.

表6　結(jié)構(gòu)各階段損傷指數(shù)

注：Dy1，Dyg，Dy2分別表示結(jié)構(gòu)在第1道防線、第1道向第2道防線過渡直至第2道防線開啟前及第2道防線破壞時的延續(xù)退化損傷指數(shù)；Dr1，Drg，Dr2分別為各階段剛度退化損傷指數(shù)；Dp1，Dpg，Dp2分別為各階段Park-Ang損傷指數(shù).

由表6可得，結(jié)構(gòu)延性損傷指數(shù)偏低，在第1道防線破壞時，薄墻板已經(jīng)失效，而對應(yīng)的結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)Dy1最大值為0.115，遠小于正常的震害破壞界限最小值0.25[9-11]， 與試驗現(xiàn)象不符.試件FCW1和FCW2 在破壞階段鋼板已經(jīng)撕裂，鋼管框架受力性能失效，結(jié)構(gòu)剛度損傷指數(shù)Dr2計算結(jié)果偏低，同時在第1道防線向第2道防線的過渡階段，Drg計算結(jié)果偏高，說明第2道防線在整個組合結(jié)構(gòu)抗倒塌能力方面發(fā)揮重要作用.Park-Ang損傷指數(shù)介于兩者之間，更能夠反映該組合結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展過程.試件FCW4各階段損傷指數(shù)最低，說明斜向鋼筋暗支撐的設(shè)置延緩了薄墻板的損傷，同時有利于薄墻板與輕鋼邊框的協(xié)同工作.試件FCW5和FCW6比試件FCW3各階段損傷嚴重，說明減小墻板厚度或者增加邊框截面面積會影響輕鋼框架與薄墻板相互作用.綜上，利用Park-Ang損傷指數(shù)來劃分結(jié)構(gòu)各損傷階段，在各損傷階段對應(yīng)的損傷現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)實際的試驗現(xiàn)象吻合較好.

3　結(jié)論

1) 帶有加強型節(jié)點的鋼框架在彈性階段具有較好的變形能力，滿足抗震要求.鋼管內(nèi)填充再生混凝土后，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的變形性能，滯回曲線飽滿，承載力與延性均提高，表現(xiàn)出較好的抗倒塌性能.

2) 裝配式輕鋼邊框-單排配筋薄墻板組合結(jié)構(gòu)在受力過程中呈現(xiàn)2道明顯的抗震防線，邊框的約束作用可有效減緩輕墻的損傷破壞.薄墻板作為第1道防線呈剪切破壞，在失效后，鋼筋骨架仍然與輕鋼框架共同工作.輕鋼框架作為第2道防線繼續(xù)耗能，最終破壞呈框架梁和柱彎曲破壞.加強型節(jié)點沒有明顯破壞，實現(xiàn)梁和柱的可靠連接.

3) 斜向暗支撐的設(shè)置可有效抑制墻板的裂縫，且使得墻板形成4個穩(wěn)定的三角形區(qū)域，耗能更加充分.

4) 利用Park-Ang損傷指數(shù)來劃分結(jié)構(gòu)各損傷階段，在各損傷階段對應(yīng)的損傷現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)實際的試驗現(xiàn)象吻合較好，Park-Ang損傷指數(shù)可作為該類結(jié)構(gòu)損傷評估的參考值.

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