框架-嵌入式墻體結(jié)構(gòu)抗震性能研究

魏文暉，馬中原，朱 東，楚 尚

(1. 武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070； 2. 中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引 言

框架-嵌入式墻體結(jié)構(gòu)是裝配式工業(yè)建筑中的新型結(jié)構(gòu)形式，在柱的側(cè)面預(yù)留墻板插槽，將預(yù)制混凝土墻板自上而下插入凹槽，內(nèi)嵌式安裝[1]，如圖1所示，采用此種形式，整個(gè)施工過程僅需吊車，無需現(xiàn)場(chǎng)支模，墻體既安裝方便，又具有較大抗側(cè)剛度，可替代柱間支撐，特別適用于類似電力系統(tǒng)換流站閥廳結(jié)構(gòu)等對(duì)墻體有一定剛度要求的工業(yè)建筑,中國已有部分閥廳結(jié)構(gòu)采用此種內(nèi)嵌式混凝土防火墻取代現(xiàn)澆式混凝土防火墻，如楊柳變電站、登勝變電站等工程[2]?？蚣?嵌入式墻體結(jié)構(gòu)中，由于墻板與柱間連接的特殊性，若按裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，會(huì)過高估計(jì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度；按常規(guī)框架填充墻進(jìn)行計(jì)算，將忽略嵌入式墻體對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)，對(duì)于換流站閥廳這類不對(duì)稱結(jié)構(gòu)[3]，將低估扭轉(zhuǎn)變形對(duì)整體結(jié)構(gòu)的不利影響，降低結(jié)構(gòu)的安全性。因此，確定墻板對(duì)閥廳結(jié)構(gòu)抗震性能的影響是一個(gè)亟需解決的問題[4]。

圖1 嵌入式墻體結(jié)構(gòu)體系Fig.1 Embedded Wall Structure System

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配式框架和裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)研究較多[5-12]，但對(duì)裝配式框架-嵌入式墻體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少,且大多為鋼框架結(jié)構(gòu)，黃宇星等[13]提出了設(shè)立柱凹槽插入墻板的方式來取代外掛式和側(cè)連式的墻板，但對(duì)該類結(jié)構(gòu)的抗震性能未深入研究，楊曉杰等[14]采用ANSYS分析軟件探究了嵌入式墻板-鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，分析顯示嵌入式墻體顯著改變了結(jié)構(gòu)的振型；高松召[15]基于等效斜撐模型提出了等效多桿彈塑性模型，利用此計(jì)算模型研究了某鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震性能，結(jié)果表明嵌入式鋼板對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的貢獻(xiàn)不可忽略；Su等[16]對(duì)某采用內(nèi)嵌式墻體的高層混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，得出表面內(nèi)嵌式墻體的存在提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，減小了頂點(diǎn)位移。夏軍武等[17]對(duì)帶M型限位槽的蜂窩夾芯內(nèi)嵌板鋼筋混凝土框架及空腹鋼筋混凝土框架進(jìn)行了低周往復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果表明內(nèi)嵌墻板與框架的協(xié)同作用可提高彈性階段框架的抗側(cè)移能力。李國強(qiáng)等[18]通過水平靜力及低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究了橫排外掛、豎排外掛和豎排內(nèi)嵌3種連接方式下預(yù)制ALC墻板鋼框架結(jié)構(gòu)的性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于外掛的ALC墻板，內(nèi)嵌式ALC墻板對(duì)整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載力的提升較大。

上述學(xué)者對(duì)嵌入式墻體的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。預(yù)制裝配式混凝土墻體已成為裝配式建筑中最常用的圍護(hù)體系[19]。外墻體主要可分為外掛式、內(nèi)嵌式和內(nèi)葉承重夾芯式3類[20]，對(duì)于內(nèi)嵌式的墻體，以往大多采用輕質(zhì)砌塊砌筑的形式，隨著建筑裝配化的推進(jìn)，少量建筑開始采用內(nèi)嵌墻板的形式。目前，內(nèi)嵌式墻體結(jié)構(gòu)多見于鋼框架，實(shí)際工程中，內(nèi)嵌墻體與鋼框架主體結(jié)構(gòu)的連接形式主要為U型卡連接[21]、GT螺栓連接[22]、ADR節(jié)點(diǎn)連接[23]等形式，此外，內(nèi)嵌式墻體亦在鋼框架-鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系中有所應(yīng)用，如美國西爾瑪、巴西Porto Vleho等。本文通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)鋼筋混凝土框架-嵌入式墻體結(jié)構(gòu)的抗震性能展開研究，以期為此類新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)以某嵌入式裝配防火墻閥廳結(jié)構(gòu)為研究原型，選取具有代表性的中間相鄰兩榀框架結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單榀跨度為8.8 m，相鄰兩榀間距為6.9 m，共2層，總層高為11.8 m，將荷載等效為質(zhì)量后其總質(zhì)量為331 682 kg，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，縱向受力筋采用HRB400級(jí)熱軋鋼筋，箍筋及框架梁腰筋采用HPB235級(jí)熱軋鋼筋。

1.1 試件設(shè)計(jì)

按照相似理論確定模型相似常數(shù)，以此作為模型設(shè)計(jì)依據(jù)。本次設(shè)計(jì)選取長(zhǎng)度、混凝土彈性模量和等效密度相似常數(shù)為基本相似常數(shù)，依據(jù)似量綱分析法[24]計(jì)算模型相似常數(shù)。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)尺寸，確定幾何相似常數(shù)為1∶3?？紤]到振動(dòng)臺(tái)的承載力，選擇降低結(jié)構(gòu)配重，增大臺(tái)面輸入水平加速度，將模型設(shè)計(jì)為非滿配重的形式。雖然非滿配重形式會(huì)改變柱構(gòu)件的軸壓比，但本試驗(yàn)重點(diǎn)研究的是嵌入式墻板對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，柱的豎向軸力對(duì)整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，且不會(huì)改變實(shí)際結(jié)構(gòu)的破壞模式。采用此種方法，求得的振動(dòng)臺(tái)模型相似常數(shù)如表1所示。

表1 模型相似常數(shù)Tab.1 Model Similarity Constant

根據(jù)以上相似關(guān)系及承載力等效的原則，模型幾何尺寸如圖2(a)，(b)所示。模型各層梁柱尺寸及配筋均相同，柱截面如圖2(c)所示，梁截面如圖2(d)所示，嵌入式墻板尺寸及配筋如圖2(e)所示。

圖2 模型尺寸及配筋示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic Diagram of Model Size and Reinforcement (Unit:mm)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x用普通混凝土制作，底座通過高強(qiáng)螺栓與臺(tái)面連接，配重采用2根普通鋼筋混凝土梁來施加，通過長(zhǎng)螺桿和固定鐵板連接在框架梁上。所有構(gòu)件混凝土等級(jí)均為C20，梁柱構(gòu)件與插板構(gòu)件同批澆筑，實(shí)測(cè)其立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為21.7 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度為14.5 MPa，縱筋采用HRB400級(jí)鋼筋，箍筋采用采用HPB300級(jí)鋼筋，模型鋼材性能實(shí)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 鋼材性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test Results of Steel Performance

混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后，即可進(jìn)行試件的吊裝和定位，如圖3(a)所示。隨后，使用桁車將嵌入式板吊起沿柱內(nèi)側(cè)槽口依次插入，為方便裝配，墻板與柱凹槽兩側(cè)各預(yù)留了5 mm的間隙，并對(duì)墻體與凹槽之間的間隙采用木楔進(jìn)行加固處理，模型吊裝拼接完成后如圖3(b)所示。

圖3 構(gòu)件裝配圖Fig.3 Assembly Diagram of Component

1.2 試驗(yàn)方案

本文選取典型的3條真實(shí)強(qiáng)震記錄，包括El Centro波南北向、Taft波東西向和天津波南北向，并對(duì)其進(jìn)行截取與壓縮處理，截取原波時(shí)間間隔為0.02 s，壓縮波輸入時(shí)間間隔為0.006 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.02 s。

本次試驗(yàn)使用日本東京測(cè)器公司(TML)生產(chǎn)的位移拾振器SDP-300D及加速度拾振器ARF-A測(cè)量位移及加速度數(shù)據(jù)，通過TMR-300小型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集記錄模型在地震作用下的加速度響應(yīng)及位移響應(yīng)。試驗(yàn)前在振動(dòng)臺(tái)上對(duì)各拾振器進(jìn)行一致性標(biāo)定。加速度測(cè)點(diǎn)布置在臺(tái)面、一層頂及二層頂，共計(jì)3個(gè)，位移測(cè)點(diǎn)布置在在臺(tái)面和一層頂，共計(jì)2個(gè)。

為了詳細(xì)掌握不同地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)情況，本次試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式輸入地震波，地震波沿模型長(zhǎng)邊方向輸入，在每一個(gè)工況前后對(duì)結(jié)構(gòu)施加白噪聲激勵(lì)以獲得不同烈度地震作用下結(jié)構(gòu)的自振特性變化情況，從而判斷結(jié)構(gòu)的剛度降低程度，實(shí)際試驗(yàn)加載工況見表3，g為重力加速度。

表3 試驗(yàn)工況Tab.3 Test Conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

在地震波工況正式加載之前對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行白噪聲掃頻以確定其自振頻率。試驗(yàn)正式開始后以同一地震烈度下的3個(gè)不同地震波工況及之后的白噪聲掃頻為1組進(jìn)行試驗(yàn)加載，每組工況加載完成后觀察結(jié)構(gòu)試驗(yàn)情況。

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

7度多遇烈度下，模型結(jié)構(gòu)表面沒有發(fā)現(xiàn)任何裂縫出現(xiàn)，表明整個(gè)結(jié)構(gòu)仍處于彈性階段；7度基本烈度下，在一層梁端首先出現(xiàn)細(xì)微的自梁下邊緣向上發(fā)展的豎向裂縫，如圖4(a)所示；7度罕遇烈度下，在墻板中央首次出現(xiàn)豎向裂縫，如圖4(b)所示；8度罕遇烈度下，一層柱頂端出現(xiàn)水平裂縫，柱凹槽外邊緣、柱腳破環(huán)更加嚴(yán)重，如圖4(c)所示；9度罕遇烈度下各塊墻板出現(xiàn)垂直于加載方向的不規(guī)則錯(cuò)動(dòng)，相對(duì)振動(dòng)反應(yīng)較為明顯；繼續(xù)加載至試驗(yàn)結(jié)束，模型正面框架、背面框架以及框架側(cè)面上、一層的梁端均有裂縫，一層柱身裂縫較為密集，其中一層柱頂端最嚴(yán)重，框架柱凹槽外邊緣破壞嚴(yán)重，如圖4(d)所示大塊混凝土脫落，內(nèi)嵌式墻板墻角壓壞，裂縫向墻板中部延伸，墻板中部裂縫加深，上下墻板參差交錯(cuò)。

圖4 各階段試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.4 Experimental Phenomena at All Stages

2.2 動(dòng)力特性

圖5 半功率法計(jì)算結(jié)構(gòu)阻尼比Fig.5 Calculation of Structural Damping Ratio by Half Power Method

圖6 模型自振頻率和阻尼比變化Fig.6 Model Natural Frequency and Damping Ratio Variation

本次試驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)的自振頻率先增大后減小，工況W2時(shí)自振頻率最大，達(dá)到了4.45 Hz左右，這是由于加載前期，振動(dòng)使得框架主體發(fā)生細(xì)微變形，內(nèi)嵌式墻板與主體框架連接的更加緊密，使得整體結(jié)構(gòu)剛度略有增加。隨著模型剛度的變化，阻尼比呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，初始狀態(tài)下，模型處于彈性階段，阻尼比約為4.35%。隨著加載的進(jìn)行，模型剛度逐漸增大，而阻尼比則下降至4.17%，繼續(xù)加載，模型的阻尼比逐漸上升，表明隨著加載的進(jìn)行結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不可逆的塑性變形且塑性的逐漸發(fā)展使得模型損傷不斷加劇，試驗(yàn)中表現(xiàn)為新裂縫不斷產(chǎn)生，原有裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展，加載至試驗(yàn)后期甚至出現(xiàn)混凝土脫落等現(xiàn)象。

2.3 模型加速度反應(yīng)

在多遇烈度、設(shè)防烈度和罕遇烈度等各試驗(yàn)階段，對(duì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e輸入El Centro波、Taft波和天津波3種地震波，通過記錄各層加速度時(shí)程數(shù)據(jù)以繪制時(shí)程曲線。限于篇幅，選取部分工況的臺(tái)面及各層加速度時(shí)程曲線，如圖7所示。由圖7可知：模型頂層加速度反應(yīng)時(shí)程與模型底座加速度反應(yīng)時(shí)程相比，加速度峰值呈放大現(xiàn)象；兩者峰值變化趨勢(shì)基本上是一致的。

圖7 El Centro波7度多遇烈度下臺(tái)面及各層加速度時(shí)程Fig.7 Acceleration Time History of Platform and Each Layer Under 7 Degree Frequent Intensity of El Centro Wave

模型各層加速度放大系數(shù)如圖8所示。由圖8可知，模型結(jié)構(gòu)各樓層加速度放大系數(shù)峰值會(huì)隨著加載的進(jìn)行而增大，這是由于加載前期結(jié)構(gòu)剛度逐漸增大的緣故。隨著加載的進(jìn)行，模型結(jié)構(gòu)在持續(xù)加載下，損傷不斷積累，導(dǎo)致剛度下降，使得加速度放大系數(shù)隨著地震作用的增強(qiáng)而逐漸減小。

圖8 模型各層加速度放大系數(shù)Fig.8 Acceleration Amplification Coefficients of Each Layer of Model

2.4 模型位移反應(yīng)

各層位移包絡(luò)圖如圖9所示。由圖9可知，隨著輸入地震波振幅的增大，模型結(jié)構(gòu)的最大位移不斷增大，位移曲線整體上呈剪切型，而不是剪力墻結(jié)構(gòu)常見的彎曲型變形及框架剪力墻結(jié)構(gòu)的彎剪型變形。據(jù)此可知，盡管由于嵌入式墻板的存在使得結(jié)構(gòu)的自振特性發(fā)生了較大變化，但由于墻板分塊插入，墻板之間可以沿著加載方向相互錯(cuò)動(dòng)，嵌入式墻板仍不能像剪力墻那樣作為結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件參與受力。

圖9 模型各層位移包絡(luò)圖Fig.9 Displacement Envelope Diagram of Each Layer of Model

對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在多遇烈度地震作用下，其彈性層間位移角不應(yīng)超過1/550。在罕遇烈度地震作用下，鋼筋混凝土框架薄弱層彈塑性層間位移角不應(yīng)超過1/50。試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诟鞴r下層間位移角最大值如表4所示。

由表4可以看出，隨著加載的進(jìn)行，整體上結(jié)構(gòu)的層間位移角逐漸增大，在多遇烈度下，各樓層的層間位移角均未超過彈性層間位移角限值。即使在9度罕遇地震烈度下，結(jié)構(gòu)的一層層間位移角也滿足彈塑性層間位移角限值1/50的要求。由此可見，框架-嵌入式墻體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，即使在較大的地震作用下，結(jié)構(gòu)也不會(huì)產(chǎn)生過大的水平位移，滿足規(guī)范中對(duì)彈塑性變形的要求。

表4 模型各樓層層間位移角最大值Tab.4 Maximum Value of Inter Story Displacement Angle of Each Floor

3 結(jié) 語

(1)在試驗(yàn)初始階段，框架結(jié)構(gòu)的變形使得墻板與主體框架連接更為緊密，內(nèi)嵌式墻板使得結(jié)構(gòu)整體剛度有所增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著地震動(dòng)強(qiáng)度的增大而略有增加。地震動(dòng)強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，結(jié)構(gòu)的自振頻率則不斷下降。

(2)在7度基本烈度下, 結(jié)構(gòu)一層梁端首次出現(xiàn)豎向裂縫。至加載結(jié)束后，一層框架梁端、一層框架柱腳處裂縫較為密集，內(nèi)嵌式墻板四角混凝土出現(xiàn)不同程度的破壞，框架柱插墻凹槽處混凝土損壞較為嚴(yán)重，但墻柱之間仍保持可靠的連接，結(jié)構(gòu)仍保持較好的整體性。

(3)通過比較結(jié)構(gòu)各層層間位移可以看出，結(jié)構(gòu)一層的彈塑性層間位移出現(xiàn)突變，為結(jié)構(gòu)的薄弱部位。根據(jù)現(xiàn)行抗震設(shè)防規(guī)范，結(jié)構(gòu)薄弱層處彈性及彈塑性層間位移角值在規(guī)范限值以內(nèi)，據(jù)此判定此類結(jié)構(gòu)抗震性能良好，結(jié)構(gòu)基本滿足7度設(shè)防要求。

(4)振動(dòng)中各塊墻板相對(duì)振動(dòng)反應(yīng)較為明顯，應(yīng)對(duì)墻角采取構(gòu)造措施加固，并在墻板頂端增設(shè)壓梁；為充分利用墻板與整體結(jié)構(gòu)相對(duì)振動(dòng)時(shí)對(duì)地震能量的耗散效果，設(shè)計(jì)時(shí)可在內(nèi)嵌式墻板與框架柱凹槽之間增設(shè)緩沖帶；由于嵌入墻板與柱軸線不在同一直線上，各柱承受了一定的扭矩，應(yīng)通過合理布置結(jié)構(gòu)平面，防止柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，或考慮增加抗扭構(gòu)造配筋及進(jìn)行柱抗扭配筋的驗(yàn)算，提高柱的抗扭承載力。