往復(fù)荷載作用下帶洞口加強肋復(fù)合墻體的抗震性能

陳國新，陳葉順，呂信敏

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

帶縱向加強肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)是在密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)[1]基礎(chǔ)上延伸而來的，具有節(jié)能、抗震、環(huán)保、施工方便等顯著優(yōu)點的新型結(jié)構(gòu)體系[1-3]。帶縱向加強肋復(fù)墻體結(jié)構(gòu)主要由輕質(zhì)保溫塊材和隱型框架組成，并在砌體內(nèi)沿墻體高度方向每隔一定間距砌入一道與墻體相同厚度、高度較小且配筋率較小的鋼筋混凝土肋梁。肋梁作為縱向加強肋與外框形成框格，框格約束著內(nèi)部輕質(zhì)保溫砌塊，其與輕質(zhì)保溫砌塊共同受力形成復(fù)合砌體剪力墻結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 帶縱向加強肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)

由于建筑使用功能和設(shè)備安裝的需要，墻體需要開設(shè)門窗洞口，研究[4-6]表明洞口處是整個墻體的薄弱部位，開洞不僅會破壞墻體的整體性，且會極大地削弱墻體的抗剪承載力和抗側(cè)剛度等受力性能。本文對二榀1/2比例的帶洞口(帶門洞、帶窗洞)加強肋復(fù)合墻體進(jìn)行偽靜力試驗，分析帶洞口墻體典型部位鋼筋應(yīng)變變化規(guī)律，研究帶洞口墻體的破壞模式，并與不開洞墻體進(jìn)行對比，探討帶洞口墻體抗剪承載力、抗側(cè)剛度、變形及延性等抗震性能。

1 帶縱向加強肋復(fù)合墻體抗震機(jī)理

依據(jù)加強肋復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)(圖1)、構(gòu)造原理及前期試驗現(xiàn)象，加強肋復(fù)合墻體的抗震機(jī)理如下：

(1)加強肋復(fù)合墻體肋梁作用與配筋砌體中水平鋼筋作用相似，不僅通過直接受拉來抵抗水平剪力，同時還可提高墻體的變形能力。肋梁與外框組成的框格與砌體相互支撐、相互約束、共同受力，一方面，肋梁與外框組成的框格對砌塊的約束可延長砌塊的開裂時間，另一方面，開裂后的砌塊在約束狀態(tài)下受到水平荷載和豎向荷載的共同作用，增強了框格內(nèi)砌塊的耗能能力。墻體各承力部件在不同受力階段按照各自剛度承擔(dān)相應(yīng)荷載，并不斷進(jìn)行內(nèi)力重分配。

(2)豎向荷載和水平荷載共同作用下，加強肋復(fù)合墻體具有多道抗震防線，砌塊作為第1道抗震防線，當(dāng)水平荷載較小時，荷載由砌體、加強肋和外框柱共同承擔(dān)；隨著水平荷載的增大，砌塊裂縫延伸至肋梁，此時肋梁縱筋通過直接受拉來抵抗水平剪力，肋梁可作為第2道抗震防線；當(dāng)裂縫延伸至外框柱時，大部分砌塊不承擔(dān)作用，此時水平荷載主要由外框柱和肋梁承擔(dān)，外框柱可作為第3道抗震防線。

建筑結(jié)構(gòu)中門洞口通常設(shè)計的高度較高，其洞口率也較大，且門洞的存在不能使中間加強肋梁貫通墻體，因此，在門洞邊設(shè)置加強肋柱，且肋柱與底梁相連，以增強門洞引起的剛度和承載力。與門洞口相比，窗洞口的高度較小，且窗洞底部有貫通墻體的加強肋梁，對復(fù)合墻體抗震性能的削弱程度相對較低，因此，窗洞跨度不大時，洞邊可不設(shè)置加強肋柱。

2 試驗設(shè)計

2.1 墻體設(shè)計

本文試驗設(shè)計了二榀帶洞口墻體，分別為帶窗洞墻體(窗洞邊無肋柱)和帶門洞墻體(門洞邊有肋柱)，對比墻體為同規(guī)格同配筋的不開洞墻體，編號分別為XSCW1、XSCW2和XSCW3。各墻體厚度均為100 mm，模型比例為1∶2，高寬比為1∶1；外框梁和外框柱縱筋采用HPB300鋼筋，表示為4ф6，箍筋采用冷拔絲，表示為фb4@100；肋梁和肋柱配縱筋4фb4，箍筋采用14號鐵絲，表示為14#@100。各墻體的尺寸見圖2。

圖2 墻體尺寸詳圖

2.2 材料力學(xué)性能

二榀帶洞口墻體的外框和肋梁都采用C30混凝土，輕質(zhì)保溫砌塊材質(zhì)為蒸壓加氣混凝土砌塊；墻體各材料的力學(xué)性能見表1和表2。

表1 混凝土與砌塊基本物理、力學(xué)性能

表2 鋼筋材性

2.3 加載方案

本文試驗采用水平低周往復(fù)加載[7-8]，試驗裝置圖見圖3。

圖3 試驗裝置圖

二榀帶洞口試驗墻體與不開洞墻體豎向荷載大小均為60 kN，按二級施加，豎向荷載從0逐漸加壓至30 kN，保持2 min待墻體穩(wěn)定后逐漸增大至60 kN；豎向加載穩(wěn)壓后，由液壓作動器通過反力墻對墻體施加水平荷載，加載全程都采用位移控制。加載速率如下：水平位移達(dá)到6 mm之前，加載速率為0.2 mm/s；當(dāng)水平位移為6～16 mm時，加載速率為0.4 mm/s；水平位移超過16 mm時，加載速率增大為0.8 mm/s。

3 結(jié)果與分析

3.1 破壞過程分析

二榀帶洞口墻體3個階段的裂縫及最終破壞情況如圖4和圖5所示。

圖4 XSCW1墻體3個階段裂縫圖及最終破壞圖

圖5 XSCW2墻體3個階段裂縫圖及最終破壞圖

由圖4和圖5可知：

(1)二榀帶洞口墻體均經(jīng)歷了彈性、彈塑性、破壞3個階段，這與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果一致。

(2)XSCW1墻體在豎向荷載作用下無明顯現(xiàn)象。在水平荷載加載至8 kN時，墻體砌塊表面出現(xiàn)較多微小裂縫；隨著荷載增大，裂縫繼續(xù)展開，窗洞左邊砌塊與窗洞上部肋梁脫開，此時窗洞下部肋梁開始出現(xiàn)裂縫;當(dāng)加載到26.1 kN時，隨著“咔”的一聲窗洞左右兩邊砌塊與墻體脫離，墻體最終破壞，這時外框柱底部裂縫較少，但肋梁與外框柱相交節(jié)點處混凝土破壞較嚴(yán)重，局部裂縫達(dá) 5 mm寬。

(3) XSCW2墻體在豎向荷載作用下無明顯現(xiàn)象。在水平荷載加載至9 kN時，墻體砌塊表面出現(xiàn)微小裂縫；加載至20 kN時，肋梁開始出現(xiàn)豎向裂縫；加載至29.5 kN時，門洞邊緣的右邊框柱中部及沿墻體高度方向第2道肋梁裂縫相對較少，破損不嚴(yán)重，沿墻體高度方向第1道肋梁出現(xiàn)多道豎向貫通裂縫；大位移循環(huán)階段，砌塊開裂剝落程度加劇，未見砌塊大塊脫開現(xiàn)象，各框格內(nèi)砌塊的裂縫分布較均勻，外框柱底部混凝土出現(xiàn)多道斜裂縫。

(4)XSCW1墻體最終破壞時明顯的特征是窗洞兩側(cè)砌塊都與墻體脫開、墻體外框柱底部裂縫很少。其原因是墻體窗洞邊砌塊一側(cè)未被約束，故加載之后砌塊快速開裂，墻體第1道抗震防線[9]局部失效，且由于墻體中部設(shè)有窗洞，結(jié)構(gòu)的整體性較差，墻體中部承擔(dān)的剪力較大，洞口角部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致墻體窗洞四角肋梁與外框柱相交節(jié)點處混凝土出現(xiàn)多道貫通的斜裂縫，而外框柱底部裂縫很少。

墻體最終破壞時，XSCW2與XSCW墻體破壞特征明顯的不同點是門洞邊砌體裂縫寬度較小，裂縫分布較均勻，砌塊耗能作用發(fā)揮較充分。究其原因是門洞兩側(cè)都設(shè)置加強肋柱后，肋柱對砌塊有較強的約束作用，增強了砌塊的耗能能力和墻體內(nèi)各部件間協(xié)同受力性能，致使墻體的整體耗能能力發(fā)揮較充分。

3.2 鋼筋應(yīng)變分析

3.2.1 鋼筋測點位置

鋼筋表面張貼的應(yīng)變片尺寸均為2 mm×3 mm，外框柱鋼筋應(yīng)變片分別位于外框柱頂部、中部和底部，肋梁和暗梁鋼筋應(yīng)變片位于肋梁縱筋中點處及距肋梁兩側(cè)250 mm處。由實測鋼筋屈服強度及彈性模量計算出鋼筋的屈服應(yīng)變約為1 500με，因此，將應(yīng)變值是1 500με時所對應(yīng)的荷載確定為縱筋屈服荷載。

二榀帶洞口墻體鋼筋測點布置圖見圖6。

圖6 墻體鋼筋測點布置

3.2.2 外框柱鋼筋應(yīng)變分析

分析外框柱縱筋應(yīng)變規(guī)律是為了探究帶洞口墻體外框柱鋼筋屈服情況及墻體的屈服荷載值。二榀帶洞口墻體外框柱鋼筋荷載應(yīng)變圖如圖7所示。

圖7 墻體外框柱鋼筋應(yīng)變

由圖7可知：

(1)XSCW1墻體鋼筋測點c7、c8、c10、c11屈服，即外框柱中、上部鋼筋屈服，底部鋼筋未屈服；從屈服的先后順序看，測點c10、c11先屈服，緊接著c5、c7、c8屈服，即墻體外框柱上部鋼筋先于中部鋼筋屈服。究其原因，一方面是由于墻體中部開洞較大，且未設(shè)置肋柱，砌塊、肋梁與外框未能形成一個良好的受力整體，使得墻體中上部變得較為薄弱；另一方面是由于水平力對墻體產(chǎn)生剪力和彎矩的共同作用，洞口使墻體中部砌塊破壞，墻體內(nèi)力發(fā)生重分布，致使墻體中部和上部分擔(dān)的剪力較大，且洞口角部還產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(2)XSCW2墻體鋼筋測點c1、c5和c11屈服，即外框柱底部、頂部和左外框柱中部的鋼筋屈服，右外框柱中部的鋼筋未屈服。究其原因是，XSCW2墻體洞邊設(shè)有加強肋柱，肋柱對砌體的約束使砌體與框格形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的整體性較好，且剛度較大，導(dǎo)致砌塊對左外框柱的水平反力也較大，另外，洞口右邊邊框柱和砌塊的分離導(dǎo)致右邊框柱中部受力很小，因此其鋼筋應(yīng)變很小，這與試驗中該區(qū)段沒有裂縫的情況相符。

(3)總體上XSCW1、XSCW2墻體外框柱的鋼筋大部分屈服，外框柱直接承擔(dān)水平荷載引起的墻體整體彎矩，還具有約束砌塊和間接提高墻體水平承載力、水平剛度的作用。

3.2.3 肋梁鋼筋應(yīng)變

肋梁貼應(yīng)變片是為了確定肋梁縱筋達(dá)到屈服應(yīng)變時墻體所對應(yīng)的水平荷載大小，通過與外框柱縱筋應(yīng)變達(dá)到屈服時墻體的荷載大小進(jìn)行比較，從而確定墻體的破壞模式。

二榀帶洞口墻體肋梁鋼筋荷載應(yīng)變?nèi)鐖D8所示。

圖8 肋梁鋼筋荷載應(yīng)變

由圖8可知:試驗初始階段，肋梁鋼筋應(yīng)變隨水平荷載的增大變化很小，表現(xiàn)出線性變化的規(guī)律。隨著水平荷載的不斷增大，肋梁出現(xiàn)裂縫，肋梁鋼筋開始承擔(dān)水平剪力，此時肋梁縱筋應(yīng)變增長速率開始大于荷載增長速率。在試驗全過程中，二榀帶洞口墻體肋梁鋼筋的應(yīng)變?nèi)繛檎?，說明肋梁鋼筋主要通過直接受拉來增強墻體的受力性能，且肋梁還起到約束砌塊、與外框形成一個良好受力整體的作用。綜上可知肋梁對帶洞口加強肋復(fù)合墻體的受力性能貢獻(xiàn)較大。

由圖8a可知:XSCW1墻體只有第1道肋梁鋼筋b4測點屈服，其它鋼筋測點都未屈服，肋梁鋼筋屈服程度較低。究其原因如下：墻體中部開洞口較大，洞口削弱了加強肋復(fù)合墻體各部件間的協(xié)同受力性能，使得砌塊通過相互擠壓傳遞給肋梁的荷載很小，肋梁鋼筋所受到的拉力也很小。對比圖7a、8a可知:當(dāng)墻體肋梁鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時，各測點對應(yīng)的荷載約為22 kN，而墻體外框柱鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時，外框柱上部測點c10、c11對應(yīng)荷載約為20、15 kN，中部測點c7對應(yīng)荷載約為18 kN。由此可知XSCW1墻體外框柱鋼筋先于肋梁屈服，這是一種彎剪型破壞模式[10]，不利于墻體的抗震耗能。

由圖8b可知:b4、b5測點屈服，b7、b8測點未屈服，即沿墻體高度方向第1道肋梁鋼筋屈服，而第2道肋梁鋼筋未屈服。究其原因如下：第1道肋梁與砌體緊密接觸，砌體通過與肋梁相互作用傳遞給肋梁的水平荷載較大，所以，第1道肋梁鋼筋發(fā)生屈服，第2道肋梁只有一部分與砌體接觸，其與砌體協(xié)同受力性能較差，而且第2道肋梁右側(cè)處于門洞口上邊緣，門洞使墻體內(nèi)力發(fā)生重分布，應(yīng)力向洞口角部處集中，第2道肋梁分擔(dān)的荷載較小，因此，第2道肋梁鋼筋應(yīng)變很小，這與墻體第1道肋梁出現(xiàn)多道貫通裂縫、第2道肋梁裂縫很少的試驗現(xiàn)象相符。對比圖7b、8b可知：當(dāng)肋梁鋼筋應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變時，各測點對應(yīng)的荷載約為25 kN，而墻體外框柱鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變對應(yīng)的荷載約為27 kN。綜上所述，XSCW2墻體肋梁鋼筋率先于外框柱鋼筋屈服，這是一種典型的剪切型破壞模式[11]，有利于墻體的抗震耗能。

二榀帶洞口墻體外框梁鋼筋荷載應(yīng)變圖見圖9。

圖9 墻體外框梁鋼筋荷載應(yīng)變圖

由圖9可知:在試驗整個階段，二榀帶洞口墻體外框梁鋼筋應(yīng)變值一直較低，遠(yuǎn)未達(dá)到屈服應(yīng)變值，此外，各鋼筋測點在試驗的各個階段大部分為負(fù)應(yīng)變，僅有少部分鋼筋測點在后期大位移循環(huán)階段產(chǎn)生正應(yīng)變，因此，外框梁主要承受壓力。就整體結(jié)構(gòu)而言，框梁連接左右框柱，使結(jié)構(gòu)成為一個完整的受力整體，將水平荷載從一端框柱傳遞到另一端框柱；另外，框梁與肋梁相同，具有約束砌塊、限制砌塊裂縫發(fā)展的作用?？傊饪蛄簩Ф纯诩訌娎邚?fù)合墻體的受力性能貢獻(xiàn)較小，主要具有傳遞水平荷載和限制砌塊裂縫發(fā)展的作用。

4 抗震性能分析

4.1 特征荷載及特征位移

為探究帶洞口加強肋復(fù)合墻體在往復(fù)荷載作用下的抗震性能，將二榀帶洞口加強肋復(fù)合墻體的特征荷載、特征位移與不開洞墻體進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。

表3 墻體特征荷載及特征位移

由表3可知：

(1)洞口不僅直接削弱砌體的承載能力，還削弱了復(fù)合墻體內(nèi)各部件間的協(xié)同性能，因此，XSCW1、XSCW2墻體的開裂荷載、屈服荷載、最大荷載均明顯低于XSCW3墻體。

(2)本文中延性按照水平極限抗剪承載力降至0.85Fmax時對應(yīng)的位移Δu除以屈服位移Δy計算，結(jié)構(gòu)位移延性系數(shù)表達(dá)式為λ=Δu/Δy。XSCW1、XSCW2墻體的延性分別為3.49和3.63，明顯大于不開洞墻體的延性，說明帶洞口墻體延性優(yōu)于不開洞墻體。

(3)XSCW1、XSCW2及XSCW3加載的全過程中均未發(fā)現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。在墻體破壞階段，砌體己基本不承擔(dān)豎向荷載，而由肋梁、肋柱及外框組成的框架仍能承擔(dān)全部的豎向荷載，表明帶洞口墻體和不開洞墻體都有著良好的抗倒塌能力；墻體的極限屈服位移角分別為1/41、1/44和1/42，滿足文獻(xiàn)[12]規(guī)范中彈塑性層間位移角的要求，說明帶洞口墻體與不開洞墻體均有著良好的變形能力。

4.2 骨架曲線

骨架曲線是滯回曲線各加載等級第一循環(huán)峰值點所連成的包絡(luò)線[13]。本文研究二榀墻體骨架曲線，結(jié)果見圖10。

圖10 墻體骨架曲線

由圖10可知：

(1)在水平和豎向荷載共同作用下，XSCW1和XSCW2墻體的水平極限抗剪承載力明顯低于XSCW3，說明洞口對加強肋復(fù)合墻體的抗剪承載力削弱作用顯著。

(2)XSCW2墻體洞口率大于XSCW1墻體，XSCW1、XSCW2墻體受正向水平推力時的抗剪承載力相差很小，而受反向水平拉力時，XSCW2墻體的水平承載力明顯高于XSCW1。究其原因是，XSCW2墻體洞邊設(shè)有加強肋柱，XSCW1墻體洞邊未設(shè)肋柱，洞邊肋柱對砌體的約束提高了墻體的抗震性能。

4.3 剛度及其退化

剛度是產(chǎn)生單位位移所需荷載的大小，它反映結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力[14]。本文研究二榀帶洞口墻體及不開洞墻體的剛度退化曲線如圖11所示。

圖11 墻體剛度退化曲線

由圖11可知：

(1)XSCW1和XSCW2墻體的初始抗側(cè)剛度明顯低于XSCW3墻體，而在試驗后期抗側(cè)剛度差值逐漸縮小，說明洞口對加強肋復(fù)合墻體的初始抗側(cè)剛度削弱顯著，對墻體破壞時的剛度影響很小。究其原因如下：加強肋復(fù)合墻體的抗側(cè)剛度是由墻體內(nèi)各個部件協(xié)同受力產(chǎn)生的，XSCW1和XSCW2墻體洞口不僅直接削弱了砌體提供的抗側(cè)剛度，且洞口還降低了墻體的整體性，削弱了墻體內(nèi)各部件間的協(xié)同性能，所以，帶洞口加強肋復(fù)合墻體的初始抗側(cè)剛度明顯低于不開洞墻體。隨著墻體進(jìn)入彈塑性階段，墻體內(nèi)砌塊在反復(fù)荷載作用下不斷損傷，墻體內(nèi)各部件間協(xié)同受力性能被削弱，墻體剛度不斷降低，破壞階段時砌塊不承擔(dān)荷載，加強肋復(fù)合墻體退化為由外框、肋梁及肋柱組成的框架結(jié)構(gòu)體系，此時墻體內(nèi)各部件協(xié)同受力性能較差，剛度主要由框架提供，因此，破壞階段帶洞口墻體與不開洞墻體的抗側(cè)剛度差值很小。

(2)二榀帶洞口加強肋復(fù)合墻體中，XSCW2墻體開洞較大，但XSCW2墻體的初始水平剛度明顯大于XSCW1墻體。究其原因是，XSCW2墻體洞邊設(shè)有加強肋柱，肋柱增強了對砌塊的約束，提高了砌體的剛度，增強了墻體的整體性，從而提高了墻體內(nèi)各部件間的協(xié)同性能，因此，XSCW2墻體初始水平剛度較大。

5 結(jié)論

本文對二榀1/2比例的帶洞口(帶門洞、帶窗洞)加強肋復(fù)合墻體進(jìn)行低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能試驗，并與不開洞墻體進(jìn)行對比，得到以下結(jié)論：

(1)帶門洞墻體的肋梁先于外框柱發(fā)生屈服的剪切型破壞，帶窗洞墻體的外框柱先于肋梁發(fā)生屈服的彎剪型破壞。

(2)外框柱、肋梁對帶洞口加強肋復(fù)合墻體的受力性能貢獻(xiàn)較大，其中外框柱直接承擔(dān)水平荷載引起的墻體整體彎矩，肋梁通過受拉增強墻體的受力性能；外框梁對墻體受力性能貢獻(xiàn)較小，主要作用是傳遞水平荷載和限制砌塊裂縫發(fā)展。

(3)帶洞口加強肋復(fù)合墻體的延性優(yōu)于不開洞墻體，但其抗剪承載力和抗側(cè)剛度劣于不開洞墻體。