輕型裝配鋼管混凝土框架-耗能減震地聚物墻抗震性能

周中一 靳宇航 龐新龍 羅詒紅

（中國地震局工程力學(xué)研究所，地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080）

0 引 言

多層砌體結(jié)構(gòu)抗震能力較差，歷次地震中損毀嚴(yán)重。研發(fā)造價(jià)低、構(gòu)造簡單、施工簡便、抗震性能好的低多層裝配式建筑已成工程和社會(huì)亟需。夏冰青［1］、江風(fēng)波［2］、胡海兵［3］、許業(yè)玉等［4］對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)的輕鋼龍骨-復(fù)合板材組合墻體的軸壓性能和抗震性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，分析了抗剪承載力、延性和損傷演化規(guī)律等，給出了承載力計(jì)算方法。田穩(wěn)苓［5］提出了一種帶方鋼管連接件的泡沫混凝土輕鋼龍骨復(fù)合墻體，進(jìn)行了試驗(yàn)與理論研究。陳峰［6］分析了輕鋼龍骨多層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的經(jīng)濟(jì)性。朱婉婕等［7］研發(fā)了無豎向灰縫的加長砌塊，研究了用于裝配式墻體的加長型混凝土砌塊的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性能及破壞模式。衛(wèi)軍等［8］總結(jié)了我國傳統(tǒng)農(nóng)村住宅結(jié)構(gòu)體系及存在的問題，列舉了適用于新農(nóng)村建設(shè)的裝配式住宅結(jié)構(gòu)體系，分析了阻礙農(nóng)村裝配式住宅發(fā)展的因素。周中一等［9-10］研發(fā)了L 形邊框單排配筋保溫模塊矮剪力墻結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了抗震節(jié)能一體化；并將該結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)結(jié)合，研發(fā)了輕型裝配式框架-變形可控地聚物墻結(jié)構(gòu)［11］，實(shí)現(xiàn)了建筑構(gòu)件輕型化、裝配化和地聚物填充墻的變形和損傷控制。

本文研發(fā)的輕型裝配式鋼管混凝土框架-耗能減震墻結(jié)構(gòu)，是在文獻(xiàn)［11］基礎(chǔ)上提出的輕型裝配式鋼管混凝土框架-耗能減震地聚物墻結(jié)構(gòu)。為研究其抗震性能，進(jìn)行了3 個(gè)足尺輕型裝配式框架-耗能減震地聚物墻模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究了地聚物墻-框架間連接方式和橡膠阻尼層對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 輕型裝配鋼管砼框架-耗能減震地聚物墻

研發(fā)的輕型鋼管混凝土框架由型鋼梁、型鋼節(jié)點(diǎn)、柱端連接件和鋼管混凝土柱等部件構(gòu)成，各部件間通過螺栓或焊接連接［11］，如圖1 所示。各裝配部件自重較輕，人工即可搬動(dòng)，不需要大型機(jī)械施工，適宜在機(jī)械化程度較低的村鎮(zhèn)地區(qū)推廣應(yīng)用，裝配過程見圖2。

圖1 裝配化部件連接構(gòu)造Fig.1 Construction Details of assembled parts

圖2 輕型框架裝配過程Fig.2 Construction details of the assembled lightweight frame

地聚物混凝土墻與框架梁通過變形可控連接，該連接主要由焊接在鋼管混凝土柱側(cè)面和地聚物墻四周的連接板構(gòu)成，柱連接板上預(yù)留豎向槽，墻連接板上預(yù)留水平槽，高強(qiáng)螺栓穿過水平槽和豎向槽將兩者連接成整體。連接螺栓可在水平槽和豎向槽內(nèi)有限滑動(dòng)，延緩并減小了框架傳遞給墻體的荷載，可使框架變形達(dá)到規(guī)范規(guī)定的彈塑性極限位移角時(shí)，填充墻損傷輕微。在墻連接板和柱連接板間設(shè)置橡膠阻尼層，框架變形時(shí)，填充墻與橡膠阻尼層間摩擦耗能，提高結(jié)構(gòu)的整體耗能能力，連接構(gòu)造見圖3。

圖3 連接構(gòu)造Fig.3 Connection detail between frame and wall

2 試驗(yàn)概況

2.1 模型設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了3 個(gè)足尺輕型鋼管混凝土框架-耗能減震墻模型，包括：1 個(gè)無橡膠阻尼層變形可控連接的整體裝配式填充墻試件，編號(hào)為LSFR-4；1個(gè)上下端鋪設(shè)橡膠阻尼層的整體裝配式填充墻試件，編號(hào)為SFDW-1；1 個(gè)上中下部鋪設(shè)橡膠阻尼層的分體裝配式地聚物墻試件，編號(hào)為SFDW-2。各試件幾何尺寸及構(gòu)造見圖4，圖4（a）為文獻(xiàn)［11］所述無橡膠阻尼層墻體構(gòu)造，圖4（b）、圖4（c）為帶橡膠阻尼層墻體構(gòu)造，所有墻體與框架梁的連接與圖3 中連接構(gòu)造相同。各試件中鋼管規(guī)格為150 mm×150 mm×6 mm，型鋼梁規(guī)格為200 mm×150 mm×6 mm×9 mm，柱端連接件鋼板和連接板厚度為10 mm，地聚物墻厚100 mm，鋼管內(nèi)填充混凝土和墻體混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，地聚物墻與框架柱間縫隙用蒸壓加氣混凝土砌塊填充。

圖4 地聚物墻體模型尺寸及連接構(gòu)造（單位：mm）Fig.4 The dimension and connection detail of the specimen（Unit：mm）

2.2 試驗(yàn)加載與測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在中國地震局工程力學(xué)研究所恢先地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。首先通過豎向千斤頂在鋼管混凝土柱頂部施加300 kN 荷載，并保持恒定，以模擬軸壓，之后在框架梁中心點(diǎn)處施加低周反復(fù)水平荷載，加載過程采用位移控制，1%位移角前每級(jí)荷載增量為3.6 mm，1%位移角之后每級(jí)荷載增量為7.2 mm，每級(jí)荷載循環(huán)兩次。試驗(yàn)加載裝置見圖5。

圖5 試驗(yàn)加載裝置Fig.5 Loading device

在框架梁中心點(diǎn)處布置水平位移計(jì)，測(cè)量水平荷載下框架整體變形情況，在鋼管混凝土柱底部布置位移計(jì)，測(cè)量柱底變形，沿框架對(duì)角線方向布置位移計(jì)，測(cè)量墻體斜向變形；在鋼管底部、梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)布置應(yīng)變片，測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)布置見圖6。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置Fig.6 The arrangement of measuring points

3 試驗(yàn)分析

3.1 墻體損傷

上下變形可控連接無橡膠阻尼層試件LSFR-4：蒸壓加氣混凝土砌塊強(qiáng)度較低，先于主體結(jié)構(gòu)開裂、損傷、剝落；地聚物墻體與砌塊相互擠壓過程中輕微損傷；砌塊脫離主體結(jié)構(gòu)后，地聚物墻變形空間增大，墻體與框架梁間的變形可控連接允許兩者相對(duì)變形，地聚物墻損傷并未加重；加載點(diǎn)位移達(dá)1/66 位移角時(shí)，墻體對(duì)角線方向出現(xiàn)主斜裂縫，見圖7（a），之后墻體裂縫逐漸增多，見圖7（b）；變形達(dá)1/25 位移角時(shí)，地聚物混凝土墻體損傷嚴(yán)重，見圖7（c），鋼管混凝土柱底部屈曲，見圖7（d）；試驗(yàn)過程中地聚物混凝土墻體與框架間連接可靠，僅有少部分連接螺栓被剪斷。

圖7 上下變形可控連接試件（LSFR-4）損傷狀態(tài)Fig.7 Damage state of specimen LSFR-4［11］

SFDW-1、SFDW-2損傷發(fā)展過程相同點(diǎn)：

（1）框架與填充墻間的蒸壓加氣混凝土砌塊損傷發(fā)展過程與LSFR-4相同；

（2）砌塊脫離主體結(jié)構(gòu)后，地聚物墻變形空間增大，橡膠阻尼層發(fā)生剪切變形耗散地震能量，減輕了墻體損傷；

（3）地聚物墻與框架梁間的相對(duì)變形超過水平連接槽或豎向連接槽（圖3）的長度時(shí)，地聚物墻損傷加重；位移角達(dá)1/25 時(shí)，地聚物墻四角混凝土脫落，部分鋼筋露出，試件整體損傷發(fā)展過程見圖8。

圖8 SFDW-1 損傷發(fā)展過程Fig.8 Damage evolution process of SFDW-1

SFDW-1、SFDW-2 損傷發(fā)展過程不同點(diǎn)：與SFDW-1 相比，試件SFDW-2 中部橡膠阻尼層將整體墻分解成上下兩部分，降低了墻體的剪跨比（約為0.5）；墻體上下兩部分沿著中部橡膠阻尼層剪切滑移，墻體上下兩端與框架梁連接處相對(duì)變形較小，損傷較輕；中部連接處墻體相對(duì)變形大，墻體角部混凝土被連接螺栓剪壞，損傷較重，見圖9。

圖9 SFDW-2 損傷發(fā)展過程Fig.9 Damage evolution process of SFDW-2

綜上所述：

（1）與未設(shè)置橡膠阻尼層試件LSFR-4 相比，試件SFDW-1 和試件SDFW-2 與框架間的連接較弱，框架傳遞給墻體的荷載較小，墻體損傷較輕；

（2）橡膠阻尼層增大了墻體連接板與框架梁連接板間的阻尼，增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)耗能能力；

（3）與SDFW-1 相比，SDFW-2 在墻體中部設(shè)置了橡膠阻尼層，減小了墻體的剪跨比，增大了剪切變形所占比例，改變了墻體的損傷演化方式，使得墻體損傷主要集中在上下墻的連接處。

3.2 輕型裝配式框架

試件 LSFR-4、SFDW-1、SFDW-2 的輕型裝配式框架的損傷發(fā)展過程基本相同：隨著加載點(diǎn)水平位移增大，輕型裝配式框架變形進(jìn)入彈塑性階段，框架梁翼緣與型鋼節(jié)點(diǎn)連接處首先屈曲，部分焊縫撕裂，見圖10（a）；地聚物墻和框架梁的相對(duì)變形超過連接槽長度時(shí)，連接螺栓被卡，墻體的損傷會(huì)加重，當(dāng)變形過大時(shí)，部分連接螺栓被剪斷，見圖10（b）；柱端連接件對(duì)柱底進(jìn)行了局部加強(qiáng)，鋼管混凝土柱底損傷上移，位移角達(dá)到4%時(shí)，柱端連接件上部鋼管混凝土柱局部屈曲，見圖10（c），部分鋼管混凝土柱底部與柱端連接件交接處焊縫撕裂，見圖10（d）。

圖10 輕型裝配是框架損傷Fig.10 Damage of the lightweight assembled steel frame

3.3 承載力

實(shí)測(cè)各試件特點(diǎn)荷載見表1，表中Fp為峰值點(diǎn)荷載，F(xiàn)為破壞點(diǎn)荷載即框架變形較大，試驗(yàn)終止時(shí)的荷載。因試驗(yàn)中SDFW-1、SDFW-2 的彈塑性變形能力強(qiáng)，位移角達(dá)到4%時(shí)，荷載位移曲線仍處于水平段，荷載未明顯下降，故表1 中未列出承載力下載至85%時(shí)的特征荷載。

由表1可見：

表1 實(shí)測(cè)各試件特征點(diǎn)荷載Table 1 Experimental results of characteristic point load

（1）無橡膠阻尼層試件LSFR-4 的峰值承載力較高，比上下兩端設(shè)橡膠阻尼層整體墻試件SFDW-1 高48%，比上中下設(shè)橡膠阻尼層分體裝配墻試件SFDW-2高43%；

（2）與SDFW-1 相比，SDFW-2 的承載力降低了30%，表明分體裝配填充墻的剛度較小，達(dá)到極限變形時(shí)的承載力有明顯降低；

（3）與試件LSFR-4 相比，SDFW-1 和SDFW-2的峰值承載力雖有所降低，但位移角達(dá)25%時(shí)，帶橡膠阻尼層試件的承載力并未下降，帶橡膠阻尼層整體裝配式填充墻試件SDFW-1 極限變形時(shí)的承載力比無橡膠阻尼層試件LSFR-4 高40%左右，帶橡膠阻尼層試件具有穩(wěn)定的承載力，墻體的損傷亦較輕。

3.4 滯回與延性

實(shí)測(cè)各試件的滯回曲線見圖11，圖中F為水平荷載，U為加載點(diǎn)水平位移。

圖11 各試件滯回曲線Fig.11 Hysteretic curve of the specimens

由圖11可見：

（1）輕型裝配式框架-地聚物墻體試件滯回曲線飽滿、耗能能力較強(qiáng)、加載點(diǎn)位移角達(dá)到1/25時(shí)，各試件均具有穩(wěn)定的承載能力；

（2）與試件LSFR-4 相比，帶橡膠阻尼層試件SFDW-1、SFDW-2 的滯回曲線更為飽滿、達(dá)到峰值荷載后，具有較長的水平段，表明其具有延性好、承載力穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)；但帶橡膠阻尼層試件的承載力有所較低，表明設(shè)置橡膠阻尼層后，降低了試件的整體剛度，減小了框架傳遞給地聚物墻的荷載，減輕了地聚物墻的損傷；

（3）與上下兩端設(shè)置橡膠阻尼層試件相比，上中下設(shè)置橡膠阻尼層試件的剛度和承載力降低明顯，整體耗能能力增長不明顯，但變形能力增強(qiáng)，墻體損傷程度明顯減輕；

（4）加載點(diǎn)位移角達(dá)到1/25 時(shí)，各試件均具有良好的變形能力和延性，帶橡膠阻尼層試件SDFW-1、SDFW-2 的延性明顯好于不帶橡膠阻尼層試件LSFR-4。

3.5 耗能

滯回環(huán)包絡(luò)的面積說明了結(jié)構(gòu)耗能能力的大小，取所有滯回環(huán)包絡(luò)面積的和作為對(duì)比用的耗能能量，實(shí)測(cè)各試件累積耗能值見表2。

表2 試件耗能實(shí)測(cè)值Table 2 Measured value of the energy dissipation

由表2 可見：與試件LSFR-4 相比，上、下兩端設(shè)置橡膠阻尼層試件SDFW-1 的耗能能力提高了15%，而上、中、下部均布設(shè)橡膠阻尼層試件SDFW-2 的耗能能力降低了23%，這主要是由于整體墻被阻尼層分成上下兩部分后，墻體的整體剛度降低較多，致使整體結(jié)構(gòu)承載力下降明顯，在相同極限位移時(shí)，耗能能力降低明顯。

4 結(jié) 論

（1）框架與地聚物墻間采用變形可控弱連接，降低了框架傳底給墻體的荷載，減輕了墻體損傷，充分發(fā)揮了輕型裝配式鋼框架變形能力強(qiáng)、延性好的優(yōu)勢(shì)。

（2）整體裝配式地聚物墻與框架間設(shè)置橡膠阻尼層，提高了結(jié)構(gòu)的整體延性和耗能能力，但削弱了墻體與框架間的相互約束，整體結(jié)構(gòu)的剛度和承載力均有所降低。

（3）與 LSFR-4 和 SDFW-1 相比，上、中、下部均設(shè)置橡膠阻尼層的試件SDFW-2 的承載力、剛度和耗能能力均降低明顯，但達(dá)到1/25 位移角時(shí)，墻體損傷輕微，可修復(fù)性較強(qiáng)。

（4）輕型裝配式鋼管砼框架-耗能減震地聚物墻結(jié)構(gòu)具有良好變形能力和延性，抗震性能良好，可滿足地震區(qū)低多層建筑的抗震設(shè)防要求。