不同軸壓比下HR-EPS模塊剪力墻抗震性能研究

李澤宇， 徐麗麗， 張洪正， 肖瑤， 鄭志遠(yuǎn)

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266033）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展始終伴隨著能源的消耗，其中，建筑耗能約占一次能源消耗的20%～40%，為了貫徹節(jié)能發(fā)展觀，走持續(xù)發(fā)展的道路，新型綠色建筑材料成為建筑節(jié)能運(yùn)行重要一環(huán)，普通墻體材料已經(jīng)不能達(dá)到要求［1］，故新型墻體逐漸被人們所研發(fā)。新型墻體中EPS模塊剪力墻［2］具有優(yōu)秀的節(jié)能減排的能力，其強(qiáng)度高，施工方便而且具有優(yōu)良的保溫隔熱性。由于HR-EPS模塊剪力墻內(nèi)設(shè)芯肋，導(dǎo)致墻體存在開(kāi)動(dòng)，從而影響墻體的抗壓、抗剪及抗震性能，為了使新型墻體在土木領(lǐng)域得到更好運(yùn)用，眾學(xué)者對(duì)EPS模塊剪力墻展開(kāi)一些列試驗(yàn)研究。國(guó)外在1970年左右就出現(xiàn)了EPS模塊的雛形“納士塔（Rastra）”體系［3-6］，1996年加州大學(xué)［7］通過(guò)對(duì)“Rastra”結(jié)構(gòu)體系墻體彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著荷載增加，墻體未出現(xiàn)脆性，表現(xiàn)出良好的韌性。隨后各國(guó)研究發(fā)明了多種建筑體系，如德國(guó)“Soform”建筑體系、意大利耐泰安建筑體系等［8-10］。目前，國(guó)內(nèi)一些專家對(duì)EPS剪力墻已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究，李培培等［11］通過(guò)對(duì)30塊小型EPS模塊和7個(gè)EPS模塊剪力墻試驗(yàn)結(jié)合有限元分析的方式，發(fā)現(xiàn)了在EPS模塊的抗壓折減系數(shù)為0.7條件下，與配筋砌體剪力墻相比，模塊剪力墻具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和豎向承載力；暴肖飛［12］設(shè)計(jì)了由配筋率、軸壓比和邊緣約束3個(gè)控制條件下的縮尺模塊剪力墻，發(fā)現(xiàn)了相較于普通剪力墻提高了剛度和承載力，能夠較好的抵抗地震力；張敏等［13］制作了兩組EPS模塊剪力墻，以高寬比為試驗(yàn)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了EPS模塊剪力墻的耗能能力隨高寬比增大而有所提高，且屈服后具有良好的延性性能；宋春玲［14］針對(duì)不同條件墻體的豎向承載力試驗(yàn)，對(duì)比分析了HR-EPS剪力墻和普通剪力墻受力及破壞形式。

國(guó)內(nèi)外對(duì)足尺HR-EPS剪力墻的抗震性能研究較少。文中采用試驗(yàn)研究和有限元模擬相結(jié)合的方式，對(duì)足尺HR-EPS模塊剪力墻在以軸壓比為變量影響下的抗震性能進(jìn)行研究，對(duì)加載過(guò)程中墻體的破壞模式、耗能能力等進(jìn)行分析，為模塊剪力墻在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 HR-EPS模塊剪力墻簡(jiǎn)介

EPS模塊是由聚苯乙烯珠粒（石油中所提煉的白色污染物之一）經(jīng)過(guò)高溫和加熱處理發(fā)泡，由專業(yè)的器械按照一定模數(shù)和尺寸一次加熱成型的塑料建材。EPS模塊類型主要分為空腔模塊和平板模塊以滿足在建筑施工過(guò)程中所面對(duì)的不同要求［15，16］。

HR-EPS模塊剪力墻是由空腔構(gòu)造模塊經(jīng)積木式錯(cuò)縫搭接成空心墻體，在限位槽內(nèi)鋪設(shè)鋼筋和澆筑混凝土，之后養(yǎng)護(hù)成型與模塊表面燕尾槽結(jié)合，形成的保溫-承重一體化墻體。與傳統(tǒng)剪力墻相比，具有良好的保溫、防火及抗震等性能，且易于施工，降低人力資源。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了2個(gè)不同軸壓比足尺HR-EPS模塊剪力墻試件，軸壓比設(shè)計(jì)值分別為0.2、0.3。選用C30混凝土，在進(jìn)行了多次坍落度試驗(yàn)之后得到的澆筑配合比見(jiàn)表1。

表1 C30混凝土配合比 kg/m3

鋼筋選用HRB400級(jí)，直徑為8mm，鋪設(shè)方式采用雙排，橫向和豎向的鋼筋間距分別為300、200mm，豎向鋼筋的上端插入加載梁，下端插入底座。試件設(shè)計(jì)見(jiàn)表2，具體尺寸及配筋見(jiàn)圖1。

表2 試件設(shè)計(jì)

圖1 MSW-1/2尺寸及配筋（單位：mm）

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用4個(gè)位移計(jì)與DH3816數(shù)據(jù)采集儀相連，用于量測(cè)加載過(guò)程中底座的穩(wěn)定性如水平滑移、扭轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)為后續(xù)試驗(yàn)提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，位移計(jì)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 位移測(cè)點(diǎn)布置

1.4 加載裝置與制度

試驗(yàn)采用“建研式”加載裝置［17］進(jìn)行加載。墻體中心部位作為加載點(diǎn)，水平力由固定在反力墻上的液壓伺服作動(dòng)器通過(guò)L梁提供；豎向力由固定在橫梁上的液壓千斤頂提供，具體裝置如圖3所示，試件加載方位如圖4所示。

圖3 加載裝置示意

圖4 試件加載方位（單位：mm）

試驗(yàn)加載通過(guò)位移控制。首先，對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，消除內(nèi)部不均勻性并確認(rèn)裝置能夠正常有序的運(yùn)行；其次，對(duì)試件正式加載，屈服之前設(shè)置2mm作為加載位移級(jí)差，每級(jí)循環(huán)1次；試件屈服之后，以屈服位移Δy的整數(shù)倍進(jìn)行加載，每級(jí)循環(huán)3次，當(dāng)水平力承載力快速降低至其荷載極值點(diǎn)的85%以下，停止試驗(yàn)，即認(rèn)為所測(cè)試件破壞。加載制度如圖5所示。

圖5 低周反復(fù)加載制度

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)試件MSW-1：進(jìn)行預(yù)加載，將設(shè)定軸壓比為0.2的1002.18kN的豎向力加到橫梁上，保持恒定。加載第1級(jí)循環(huán)和第2級(jí)循環(huán)時(shí)，試件未出現(xiàn)裂縫；3級(jí)循環(huán)時(shí)，在9號(hào)和10號(hào)洞口之間產(chǎn)生第一條長(zhǎng)度約10cm的水平裂縫，水平力為125.68kN。4、5級(jí)循環(huán)時(shí)，在洞口附近墻肢處、混凝土處逐漸產(chǎn)生10～15cm左右的裂縫。6級(jí)循環(huán)時(shí)，墻體上的裂縫顯著增加，部分裂縫貫通，端柱上開(kāi)始出現(xiàn)多條細(xì)微裂縫，試件開(kāi)始屈服，屈服位移Δy為12mm。

屈服后，以Δy為加載增量，水平和斜裂縫逐漸向原裂縫發(fā)展的方向加長(zhǎng)，在端柱中間出現(xiàn)新裂縫，并且與原有裂縫相互貫通，形成一條大裂縫；加載到2Δy時(shí)，裂縫快速向兩側(cè)發(fā)展并形成“八”字形裂縫，伴有混凝土壓碎的聲音；加載到5Δy時(shí)，貫通的裂縫將混凝土模塊切割成類似于菱形的區(qū)域，與此同時(shí)，混凝土脫落形成墻洞，并出現(xiàn)露筋現(xiàn)象，當(dāng)開(kāi)始反向加載時(shí)，墻體上出現(xiàn)崩裂的聲音，核心處的混凝土開(kāi)始脫落，水平力承載力快速下滑，等達(dá)到其峰值荷載的85%時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)。

圖6 MSW-1試件整體破壞

對(duì)試件MSW-2進(jìn)行預(yù)加載，將設(shè)定軸壓比為0.3的1499.63kN的豎向力加到橫梁上，保持恒定。加載第2級(jí)循環(huán)，在試件的北側(cè)面洞口之間出現(xiàn)首條水平裂縫，大約長(zhǎng)為11cm。此后3～5級(jí)循環(huán)時(shí)，陸續(xù)出現(xiàn)一些水平裂縫、斜裂縫和豎向裂縫，部分裂縫發(fā)生貫通現(xiàn)象；6級(jí)循環(huán)時(shí)，水平力的逐漸增大，混凝土出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，試件開(kāi)始屈服，屈服位移Δy為12cm。

屈服后，以Δy加載，舊裂縫開(kāi)始往端柱上延伸，水平裂縫的數(shù)量逐漸增多；加載到2Δy時(shí)，新裂縫逐漸延伸到老裂縫處，且伴有噼里啪啦聲，混凝土輕微脫落，此時(shí)鋼筋的最大應(yīng)變值達(dá)到1854；加載到4Δy時(shí)，裂縫開(kāi)始延伸、擴(kuò)展加寬，形成“八”字形裂縫或者在洞口處貫穿，模塊間交叉的斜裂縫將剪力墻分成類似于菱形的區(qū)域；加載到5Δy時(shí)，端柱附近混凝土斜裂縫越來(lái)越多，塊狀和粉末狀混凝土脫落嚴(yán)重，形成孔洞，端柱底部的裂縫與洞口處裂縫連接到一起。水平力承載力快速降低至其荷載極值點(diǎn)的85%以下，結(jié)束試驗(yàn)。

圖7 MSW-2試件整體破壞

2.2 滯回曲線

滯回曲線［18］是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)依據(jù)，也是確定地震反應(yīng)分析的重要指標(biāo)。試驗(yàn)得到的滯回曲線如圖8所示。

圖8 滯回曲線

對(duì)比分析圖 8（a）和圖 8（b），可以發(fā)現(xiàn)，試件MSW-1有較明顯的“捏攏”現(xiàn)象，是由于軸壓比較小，耗能能力稍弱；隨著軸壓比提高，試件的承載能力提高，極限位移下降，但曲線的變化幅度不明顯。

由圖8可知，加載初期，試件處于線彈性階段，變形較小，隨著力的緩慢增加，曲線的斜率開(kāi)始傾斜，表明試件的剛度有所退化；荷載繼續(xù)增加，裂縫的數(shù)量逐漸增多，損傷慢慢累積，試件循環(huán)承載力發(fā)生明顯降低，滯回環(huán)的面積變小，HR-EPS模塊剪力墻試件的耗能能力降低。

2.3 骨架曲線

骨架曲線［19］是通過(guò)連接滯回曲線上每級(jí)荷載首次循環(huán)的峰值點(diǎn)所形成的包絡(luò)曲線，能夠準(zhǔn)確反映試件在各階段的受力情況和強(qiáng)度衰減變化。試件骨架曲線如圖9所示。

圖9 骨架曲線對(duì)比

由圖9可知，加載前期，墻體處于線彈性階段，曲線大致為直線，當(dāng)荷載繼續(xù)增大，試件裂縫慢慢開(kāi)展，骨架曲線開(kāi)始水平傾斜，試件整體剛度降低；加載后期，骨架曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)試件仍保持較好的塑性，表明試件具有良好的吸能能力。對(duì)比分析兩個(gè)不同軸壓比試件，發(fā)現(xiàn)軸壓比越大，骨架曲線斜率較大，荷載達(dá)到極限值后，承載力衰減的速度加快，延性較差。

2.4 位移延性

位移延性［20］也是衡量構(gòu)件抗震性能的一個(gè)指標(biāo)，可以清楚地顯示構(gòu)件后期變形性能；位移延性系數(shù)μ是指試件破壞時(shí)的位移與屈服時(shí)的位移比值，計(jì)算公式如下［21］：

試件的位移延性系數(shù)如表3所示。

表3 試件的位移延性系數(shù)

由表3可知，HR-EPS模塊剪力墻的延性系數(shù)較高，表明試件模塊剪力墻在往復(fù)循環(huán)加載的作用下具有良好的延性，即剪力墻擁有較好的變形性能。

相同條件下，軸壓比大的構(gòu)件延性較差，其原因是由于提高軸壓比會(huì)使構(gòu)件截面的受壓區(qū)高度變大，從而構(gòu)件強(qiáng)度增大，墻體的變形能力會(huì)隨著強(qiáng)度的提高而減小，故延性會(huì)有所降低。

2.5 剛度退化

試驗(yàn)試件的剛度退化曲線，如圖10所示。

圖10 剛度退化曲線

由圖10可知，試件剛度整體呈下降趨勢(shì)，不同的加載階段，剛度的下降速率不同。試驗(yàn)加載前期，墻體處于彈性階段，剛度退化較慢，隨著荷載增加，開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，試件剛度退化速度加快，直到加載到極限承載力時(shí)，剛度退化速度才有所回降。

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到開(kāi)裂階段時(shí)，隨著逐漸增大水平力，加快了試件剛度退化速度，此時(shí)試件墻體的變形能力較弱；當(dāng)試件屈服之后，隨著水平荷載的增加試件剛度退化速度變慢，此時(shí)試件的變形能力較強(qiáng)。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，較大軸壓比的試件MSW-2在加載的前期剛度退化速度比MSW-1試件稍快；到達(dá)極限荷載后，試件MSW-1剛度退化速度變緩，是由于小軸壓比試件在前期的往復(fù)循環(huán)加載時(shí)逐步累積的損傷較低，從而剛度退化速度較慢。

2.6 耗能能力

結(jié)構(gòu)的耗能能力對(duì)抗震性能的影響非常重要，通常以滯回曲線所包圍的面積來(lái)衡量，目前，工程抗震采用由Jacobsen在1930年提出的等效粘滯阻尼系數(shù)he來(lái)作為衡量耗能能力的一個(gè)重要參數(shù)。計(jì)算公式如下：

式中，SABC+SCDA為滯回環(huán)面積；SOBE+SODF為試件峰值荷載組成的三角形面積。

通過(guò)對(duì)墻體在往復(fù)荷載作用下等效粘滯阻尼系數(shù)的計(jì)算，分析得到了，試件屈服前，he=0.049～0.067，此時(shí)軸壓比對(duì)試件耗能能力影響不大；試件屈服后，he=0.059～0.107，耗能能力增強(qiáng)。并且等效粘滯阻尼系數(shù)隨著軸壓比增大而增大，是由于墻體的軸壓比較大時(shí)，開(kāi)裂受到抑制，開(kāi)裂面上的摩擦作用力增強(qiáng)，從而耗能能力增加。

3 HR-EPS模塊剪力墻有限元模擬分析

文中利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)軸壓比0.1～0.4模塊剪力墻進(jìn)行力學(xué)模擬分析，選用彈塑性理論模型和Embeded方法分別定義模塊剪力墻的混凝土模型和鋼筋模型，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可行性。

3.1 模擬結(jié)果對(duì)比分析

由圖11可知墻體應(yīng)力變化情況。不均勻應(yīng)力分布主要集中在EPS模塊剪力墻的上部和中部，洞口處受力較大，同時(shí)，墻體中部靠近端柱區(qū)域斜裂縫較多，裂縫貫通后，混凝土退出工作，墻體上部的彎剪斜裂縫貫通，剪切斜裂縫將墻體中間層模塊剪斷，墻體破壞特征與試驗(yàn)現(xiàn)象較吻合。

圖11 墻體應(yīng)力分布云圖

3.2 滯回曲線

通過(guò)ABAQUS模擬往復(fù)荷載作用下墻體的破壞形態(tài)，分別得到了不同軸壓比試件的滯回曲線，如圖12所示。

由圖12可以看出，MSW-1和MSW-2模擬所得滯回曲線與試驗(yàn)所得兩試件的滯回曲線相比，總體相差不大，故可以采用進(jìn)行模擬分析。

圖12 滯回曲線

對(duì)比圖8和圖12可知，MSW-3和MSW-4在一定程度上增加軸壓比，增大了滯回環(huán)的包絡(luò)面積，使之像一個(gè)飽滿的梭形，墻體構(gòu)件的耗能能力增強(qiáng)，是由于增大軸壓比，豎向荷載增加，對(duì)墻體上面新裂縫的出現(xiàn)和老裂縫的擴(kuò)展延伸有效產(chǎn)生抑制作用，增加了裂縫之間混凝土的摩擦作用力，進(jìn)而提高了試件的耗能能力。

3.3 骨架曲線

由圖13可知，軸壓比從0.1～0.4的變化中，試件的水平承載力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，MSW-2（0.3軸壓比）試件相較其他試件具有較大水平承載力，說(shuō)明一定范圍內(nèi)提高軸壓比可以提高極限承載力，若超過(guò)這一限值，豎向應(yīng)力逐漸占據(jù)主導(dǎo)的地位，使破壞形成一定的脆性。

圖13 模擬骨架曲線

由圖14可知，模擬的骨架曲線圖和試驗(yàn)骨架曲線圖相比，包絡(luò)面積要大，但極限承載力要小，總體來(lái)看兩者的變化規(guī)律較為相似。

圖14 模擬與試驗(yàn)骨架曲線對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)和模擬所得數(shù)據(jù)的分析研究，得到以下結(jié)論：

（1） 不同軸壓比試件的破壞形態(tài)基本一致，試驗(yàn)過(guò)程中，墻體中間靠近端柱的受拉區(qū)先出現(xiàn)裂縫，一定范圍內(nèi)增大軸壓比，會(huì)抑制墻體水平裂縫的發(fā)展，對(duì)剪力墻的耗能能力和剛度均有所改善。

（2） 試驗(yàn)和模擬所得試件的滯回曲線均比較飽滿，骨架曲線表明在不同受力階段強(qiáng)度衰減較緩慢，說(shuō)明足尺的HR-EPS剪力墻具有良好的吸能能力。

（3） 適當(dāng)增大墻體的軸壓比，可以在一定程度上使試件的極限承載力有所升高，提高墻體的水平承載力，從而增強(qiáng)墻體的抗震性能，但存在某一限值時(shí)，墻體破壞具有一定的脆性。

（4） 位移延性系數(shù)均接近于5.0，表明HR-EPS模塊剪力墻具有優(yōu)良的延性，即剪力墻變形性能較好，抗震效果更加優(yōu)良。