鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束墻體的抗震性能

安仁兵 張 譽(yù) 李天洋

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

砌體結(jié)構(gòu)作為一種傳統(tǒng)而古老的建筑結(jié)構(gòu)形式，因易于就地取材、運(yùn)輸方便、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前仍被我國(guó)村鎮(zhèn)民居大量使用。然而，砌體結(jié)構(gòu)存在抗側(cè)移能力低、整體穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，在歷次大地震中均發(fā)生大面積的坍塌[1]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出將鋼筋混凝土框架應(yīng)用于砌體結(jié)構(gòu)中，形成帶圈梁構(gòu)造柱約束的砌體結(jié)構(gòu)體系。雖然現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱技術(shù)能有效提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，但在“汶川地震”等震后調(diào)研發(fā)現(xiàn)，因造價(jià)較高、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)以及施工困難等原因，村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)民居中難以采用[2-3]。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，課題組提出將鋼管混凝土優(yōu)良的力學(xué)性能運(yùn)用到砌體結(jié)構(gòu)圈梁構(gòu)造柱中，省去了模板的支護(hù)以及混凝土的養(yǎng)護(hù)等工序，縮短了施工工期。為研究鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束磚墻的抗震性能，同時(shí)制作相同尺寸的無(wú)構(gòu)造約束黏土磚墻以及傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱約束黏土磚墻，通過(guò)擬靜力加載試驗(yàn)，對(duì)比分析3片墻體之間的破壞特征，并結(jié)合滯回曲線(xiàn)、耗能能力等抗震性能指標(biāo)對(duì)鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱建造技術(shù)作出整體評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

本實(shí)驗(yàn)以砌體結(jié)構(gòu)中的墻體為研究對(duì)象，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范和研究目的設(shè)計(jì)制作不同工況的3片黏土磚墻體：無(wú)構(gòu)造約束黏土磚墻(Q1)、帶鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱約束磚墻(Q2)和帶鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束磚墻(Q3)。3片墻體試件的幾何尺寸、黏土磚強(qiáng)度、砂漿強(qiáng)度等參數(shù)均相同，主要參數(shù)見(jiàn)表1。其中，圈梁構(gòu)造柱截面尺寸均為240 mm×240 mm；方鋼管采用截面尺寸為100 mm×100 mm×2 mm 的Q235-B鋼。根據(jù)試驗(yàn)要求，墻體應(yīng)砌筑于地梁之上，地梁長(zhǎng)3 000 mm，截面尺寸為300 mm×250 mm。試驗(yàn)所采用的混凝土配合比為：水∶水泥∶砂∶石子=0.38∶1∶1.1∶2.72，制作邊長(zhǎng)為150 mm立方體試塊，在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d后抗壓強(qiáng)度為30.5 N/mm2。

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of the specimens

試驗(yàn)墻體的材料與施工工藝全部參考工程實(shí)際情況[4]。對(duì)于鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束墻體，在地梁與鋼管混凝土柱連接部位設(shè)置預(yù)埋鋼筋，同時(shí)在地梁上部設(shè)置與方鋼管同截面的槽溝，保證墻體與地梁的連接可靠。墻體砌筑時(shí)，將方鋼管固定于預(yù)留位置處，砌塊沿鋼管外壁進(jìn)行砌筑，達(dá)到指定高度后放置圈梁鋼管，并在兩側(cè)砌筑豎向砌塊作為填充。砌筑完成后直接在鋼管中澆筑混凝土。混凝土澆筑時(shí)應(yīng)分層下料、分層振搗，每次下料高度不宜大于500 mm；保證澆注密實(shí)。鋼管灌注完全混凝土后，在兩側(cè)及頂部砌筑磚砌塊，形成整片墻體。鋼管混凝土制作過(guò)程如圖1所示。

圖1 Q3墻體制作過(guò)程Fig.1 Q3 wall production process

1.2 加載裝置與方式

試驗(yàn)采用擬靜力方法進(jìn)行[5]。電液伺服測(cè)試系統(tǒng)(MTS)與項(xiàng)目組自行設(shè)計(jì)的一套夾具相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)墻體的水平反復(fù)推拉荷載，墻體布置如圖2所示。正式加載前，首先對(duì)墻體試件進(jìn)行兩次預(yù)加載,檢驗(yàn)墻體是否有側(cè)移，底梁固定情況是否良好，觀(guān)察連接夾具的鋼筋是否有松弛，地腳螺栓、錨固 螺栓是否有滑扣或松動(dòng)情況，并檢查各測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是否能夠正常工作。確認(rèn)正常后，再對(duì)墻體試件正式加載，直至墻體破壞為止[6]。

圖2 墻體布置Fig. 2 The layout of the wall

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

(1)Q1墻體試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象。按前述方法進(jìn)行預(yù)加載，待各項(xiàng)指標(biāo)正常后開(kāi)始施加低周往復(fù)荷載，級(jí)差為5 kN每循環(huán)。當(dāng)水平荷載加至25 kN時(shí)，墻體產(chǎn)生第一條裂縫，發(fā)生在試件左下角砂漿縫處。加載繼續(xù)向上增加一級(jí)，墻體下部的水平裂縫即刻發(fā)展，貫穿整片墻體下部，墻體發(fā)生平面內(nèi)滑移，墻體充分破壞加載停止。最終破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 Q1破壞特征Fig. 3 The destructive characteristics of Q1

(2)Q2墻體試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象。按前述進(jìn)行預(yù)加載，待各項(xiàng)指標(biāo)正常后開(kāi)始施加低周往復(fù)荷載，極差為10 kN每循環(huán)。加載初期，滯回環(huán)呈現(xiàn)明顯的梭形，隨著荷載的增加，墻體伴有咔咔響聲，但墻體未出現(xiàn)明顯的變化特征。在水平推力為100 kN時(shí)，墻體右上角出現(xiàn)長(zhǎng)度約為10 cm的裂縫，同時(shí)左下角也產(chǎn)生些微的水平裂縫。此時(shí)改為位移加載，墻體上角裂縫斜向開(kāi)展，左下角裂縫水平開(kāi)展，右下角裂縫豎向開(kāi)展。當(dāng)位移控制達(dá)到8 mm時(shí)，墻體裂縫分布面積增多，之前的斜裂縫繼續(xù)發(fā)展至35 cm，豎向裂縫寬度增加。墻體沿水平方向通縫開(kāi)裂破壞(圖4)。

圖4 Q2破壞特征Fig. 4 The destructive characteristics of Q2

(3)Q3墻體試驗(yàn)過(guò)程與現(xiàn)象。按前述進(jìn)行預(yù)加載，待各項(xiàng)指標(biāo)正常后開(kāi)始施加低周往復(fù)荷載，極差為10 kN每循環(huán)。當(dāng)荷載加載至 100 kN，墻體仍未出現(xiàn)裂縫。荷載繼續(xù)增加到120 kN時(shí)，滯回曲線(xiàn)有所彎折，但墻體仍未有裂縫產(chǎn)生。當(dāng)荷載加載至130 kN 時(shí)，墻體以腳部為軸被抬起，鋼管柱與內(nèi)部的混凝土柱發(fā)生界面剝離。與此同時(shí)，墻體左側(cè)沿構(gòu)造柱方向出現(xiàn)豎向裂縫。墻體破壞形式如圖5所示。

圖5 Q3破壞特征Fig. 5 The destructive characteristics of Q3

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線(xiàn)

滯回曲線(xiàn)是荷載-位移曲線(xiàn)，是結(jié)構(gòu)試件骨架曲線(xiàn)、剛度退化曲線(xiàn)和能力消耗等抗震性能指標(biāo)的重要依據(jù)[7]。試件滯回曲線(xiàn)如圖6所示。

(1)Q1墻體滯回環(huán)僅在前兩級(jí)加載中表現(xiàn)出良好的彈性性能，而后滯回環(huán)變?yōu)楣?，雖未產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)裂縫，但滯回環(huán)已體現(xiàn)出明顯的殘余變形，荷載加至30 kN，墻體裂縫開(kāi)始產(chǎn)生，滯回曲線(xiàn)產(chǎn)生更大的位移。相對(duì)于其余兩個(gè)試件，Q1墻體滯回環(huán)圈數(shù)較少、包絡(luò)面積較小，在墻體荷載達(dá)到極限荷載后，墻體承載力立刻大量降低，具有明顯的脆性破壞特征。

(2)Q2墻體的滯回曲線(xiàn)相對(duì)飽滿(mǎn)，滯回環(huán)面積較Q1墻體明顯增大，在加載過(guò)程中形狀由梭形逐漸向弓形轉(zhuǎn)變。Q2墻體各階段的位移值都顯著高于無(wú)約束墻體，表明墻體具有良好的變形性能。鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體開(kāi)裂后，滯回曲線(xiàn)斜率有所下降，但可以看出卸載后試件仍然存在一定的殘余變形。

圖6 試件滯回曲線(xiàn)Fig. 6 Hysteretic loops of specimens

(3)Q3墻體的滯回環(huán)的面積顯著高于Q1墻體，滯回環(huán)從加載初期開(kāi)始便呈現(xiàn)出明顯的反“S”形特征，但每一加載循環(huán)結(jié)束后，墻體的殘余變形較少，墻體表現(xiàn)出良好的彈性變形特征。Q3墻體的極限荷載與極限位移明顯高于Q1以及Q2墻體，變形和耗能能力良好。

3.2 骨架曲線(xiàn)

骨架曲線(xiàn)是把每一滯回環(huán)上同向的荷載極值點(diǎn)依次連接形成的包絡(luò)曲線(xiàn)，是確定試件承載能力特征值以及延性系數(shù)的重要依據(jù)[8]。試件的骨架曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 骨架曲線(xiàn)Fig. 7 Skeleton curves

(1)在試件加載初期，3片墻體骨架曲線(xiàn)基本重合，說(shuō)明3片墻體在彈性階段具有相同的變形協(xié)調(diào)能力。Q1墻體的加載曲線(xiàn)為直線(xiàn)，說(shuō)明無(wú)構(gòu)造約束的墻體一裂即壞，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞特征。Q2墻體與Q3墻體的曲線(xiàn)走勢(shì)基本相同，但在相同荷載下，Q3墻體曲線(xiàn)的斜率低于Q2墻體，即Q3墻體受到與Q2墻體相同的水平作用力時(shí)，能夠產(chǎn)生更大的位移，Q3墻體的變形性能優(yōu)于Q2墻體。

(2)從骨架曲線(xiàn)中提取出的承載能力特征值以及延性系數(shù)見(jiàn)表2?？梢钥闯?，Q1墻體的屈服承載力與極限承載力接近，說(shuō)明Q1墻體的屈服階段較短，進(jìn)一步證明墻體的脆性破壞特征。Q2墻體與Q3墻體的屈服承載力、極限承載力和延性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Q1墻體，且Q3墻體的最終承載能力比Q2墻體提高10.4%，墻體的位移增大了40.7%，墻體的延性也略微高于Q2墻體，表明鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體具有更好的變形協(xié)調(diào)能力。

表2 承載能力特征值及延性Table 2 Bearing capacity characteristic value and ductility

3.3 剛度退化

墻體剛度隨著加載循環(huán)周數(shù)增加而不斷減小的現(xiàn)象稱(chēng)之為剛度退化，是墻體裂縫的開(kāi)展以及墻體塑性變形的充分體現(xiàn)[9]。各墻體剛度退化曲線(xiàn)如圖8所示。

圖8 剛度退化曲線(xiàn)Fig. 8 Stiffness degration curves

在3片試驗(yàn)墻體中，Q1墻體的初始剛度最小，Q2墻體的初始剛度與Q3墻體接近。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行，Q1墻體的剛度迅速退化并最終趨近于零。Q2與Q3墻體剛度經(jīng)過(guò)前幾階的迅速下降后趨于平緩，Q2墻體破壞時(shí)的剛度保持在14 929 N/mm；Q3墻體的位移量比Q2墻體大，Q3墻體的剛度隨著位移的增加繼續(xù)降低，破壞時(shí)的殘余剛度為10 336 N/mm。

3.4 耗能能力

墻體的耗能能力通過(guò)能量耗散系數(shù)E以及等效黏滯阻尼系數(shù)ζeq反應(yīng)[10](表3)。由表3可以看出，3片墻體的能量耗散指標(biāo)E以及ζeq均隨著加載次數(shù)的增加而逐漸降低，但Q3墻體的變形能在相同加載次數(shù)下均大于Q1和Q2墻體，表明此種新型墻體的抗震性能優(yōu)于傳統(tǒng)砌體墻。鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束墻體的能量耗散系數(shù)隨著加載次數(shù)的增加下降很快，表明墻體吸收能量主要發(fā)生在力施加的前期。

表3 能量耗散指標(biāo)Table 3 Energy dissipation index

4 結(jié)論

(1)鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束墻體裂縫發(fā)展較晚，由于在反復(fù)推拉過(guò)程中構(gòu)造柱的鋼管與混凝土之間黏結(jié)力喪失而產(chǎn)生相對(duì)滑移導(dǎo)致墻體破壞，墻體的承載力與極限位移均比傳統(tǒng)圈梁構(gòu)造柱墻體有所提高。

(2)鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱約束墻體的加載循環(huán)周數(shù)較無(wú)構(gòu)造約束磚墻以及傳統(tǒng)圈梁構(gòu)造柱約束墻體明顯增多，滯回環(huán)所包面積相對(duì)較大，墻體的耗能能力有所增強(qiáng)。

(3)鋼管混凝土圈梁構(gòu)造柱技術(shù)解決了支模、混凝土養(yǎng)護(hù)等施工不便問(wèn)題，同時(shí)有效提高了砌體結(jié)構(gòu)房屋的承載能力和變形性能，適合在設(shè)防烈度區(qū)域的混合結(jié)構(gòu)農(nóng)房中采用。