不同框格形式密肋復合墻體抗震性能對比分析

成曉峰,姚謙峰,黃 煒,侯莉娜

(西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安710055)

0 引 言

密肋復合墻結構是一種輕質、高強、節能、抗震的建筑結構新體系,此種結構的復合墻板是以截面及配筋較小的鋼筋混凝土為肋格,內嵌以爐渣、粉煤灰等工業廢料為主要原料的加氣硅酸鹽砌塊(或其它具有一定強度的輕質骨料)預制而成的。

一方面,墻板中砌塊與肋格共同工作,砌塊受到肋格的約束,加強肋又受到塊體的反約束,兩者相互作用、共同受力,充分發揮各自性能;另一方面,墻板與隱形框架整澆為一體,形成具有共同工作性能的增強復合墻體[1]。其主要優點為施工工藝簡單、速度快、便于工廠裝配式制作。

影響密肋復合墻體抗震性能的因素很多,其中墻板中的框格形式對密肋復合墻體的承載力、延性、耗能能力、破壞模式、及變形能力會產生較明顯的影響。本文結合課題組前期的試驗,通過分析不同框格形式的密肋復合墻體各個抗震性能指標以及破壞模式,得出框格對密肋復合墻體抗震性能的影響。

1 試驗簡介

1.1 試件的設計與制作

本次試驗共選試件14塊,為研究框格形式對密肋復合墻體的抗震性能的影響,本文著重分析五肋柱密肋復合墻體、標準密肋復合墻體及三肋柱密肋復合墻體,如圖1,表1所示。為了對比各個不同框格形式的密肋復合墻體抗震性能,本次試驗中各個試件模型縮尺比例為1/2,墻體尺寸及軸壓比選取均相同。即在相同尺寸墻體耗材基本相同的前提下,改變控制因素,研究其對墻體受力和各項抗震性能的影響。

圖1 變框格墻板示意圖

1.2 加載設備及加載制度

1.2.1 試驗裝置及設備

試驗裝置及設備如圖2所示。

利用安裝在反力墻上的液壓伺服作動器在墻體頂部施加水平荷載;豎向荷載通過千斤頂加載在分配梁上,經過二次分配后,加載于墻體頂部暗梁上;為防止墻體發生平面外失穩,在墻體兩側設置側向支撐。

圖2 試驗加載裝置圖

表1 密肋復合墻體試件的設計

1.2.2 加載制度

本次試驗采取低周反復加載方案,豎載通過千斤頂加在分配梁上,經二次分配后加在肋柱上;豎向穩定后加水平荷載,水平荷載通過反力墻,借助液壓作動器對墻體頂部施加,水平荷載每級20 kN,每級循環一次,試件屈服后,以相同位移循環一次,此后用位移控制,每級循環三次直至破壞。

密肋復合墻體在水平與豎向荷載的共同作用下,始終處于彎、剪、壓復合受力狀態,加之材料復雜性與砌塊、框格及外框的相互嵌套較為復雜,從而引起墻體的破壞形式也較為復雜。本文通過試驗現象研究,將墻體的破壞模式分為剪切型破壞和彎曲型破壞。

2.1 剪切型破壞[2]

經試驗觀察發現:SW6與SW5在破壞過程比較相近,現用SW6加以說明。SW6破壞過程中彈性階段、彈塑性階段與破壞階段各個階段表現較為明顯,其破壞過程各個階段的試驗現象如圖3所示。

圖3 SW6破壞過程圖

在彈性階段,墻板中砌塊出現少數微裂縫,肋梁、肋柱中無裂縫出現。此時墻體作為一個整體受力構件,復合墻板與外框變形協調,其力學性能可視為一種復合材料等效彈性板。彈塑性階段,砌塊中微裂縫發展加寬,隨著荷載增加,裂縫呈45°不斷延伸至肋梁、肋柱當中,砌塊中出現較多交叉裂縫。此時可把框格中的砌塊等效為斜壓桿。破壞階段,砌塊破壞非常嚴重,墻體最終退化成僅由肋格和外框組成的純框架,此時的墻體作為密肋復合墻結構的主要抗側受力構件已經失效,但仍可以承擔全部的豎向荷載,具有良好的抗倒塌能力。最后隨著受壓側邊框柱混凝土壓碎,受拉側鋼筋拉斷,此時試驗結束。

2.2 彎曲型破壞[3]

SW12在破壞過程中其彈性階段、彈塑性階段和破壞階段區分并不明顯。

彈性階段,墻板與外框變形協調,作為整體進行受力,內砌塊與框格中剪切斜裂縫分布均勻且細小;彈塑性階段和破壞階段區別并不明顯,繼續加載時,砌塊中的裂縫延伸至肋梁、肋柱當中。墻體中肋梁、肋柱和連接柱中鋼筋沒有屈服,而受拉邊框柱上水平裂縫分布均勻,基本貫穿整個截面。墻體的破壞以外框柱的拉壓破壞為主,表現為受拉邊框柱縱筋達到屈服,受壓邊框柱腳混凝土壓碎、鋼筋屈服[4]。表明墻體的邊框柱主要承擔彎矩作用。

2.3 破壞模式的對比分析

(1)由于墻體SW5、SW6中的墻板與外框剛度之比相對較小,在水平荷載作用下,破壞過程按照“砌塊-肋梁、肋柱-外框柱”的順序依次發揮主導作用,這樣相當墻體具有多道抗震防線[5],屬于有利的“強柱弱板”型剪切破壞。

(2)由于墻體SW12中的墻板與外框剛度之比相對較大,在水平荷載作用下,墻板幾乎不發生明顯破壞,而外框柱先于墻板在柱腳處無征兆地發生拉壓破壞,外框柱底受拉區鋼筋屈服直至破壞,同時,外框柱底受壓區混凝土出現部分壓碎現象;最后在墻體底部錨接處形成一條沿墻底方向的剪切薄弱面,反復荷載的作用下,墻體底部的水平抗剪面積越來越小,剪切摩擦條件不斷惡化,最終沿這個水平面出現大量滑移而破壞。屬于不利的彎曲型破壞見圖4。

圖4 彎曲型破壞示意圖

3 密肋復合墻體抗震性能對比分析

3.1 滯回性能及骨架曲線

通過三個墻體的滯回曲線(見圖5)可以發現:

(1)SW5與SW6滯回曲線較為接近;彈性階段時,荷載與位移呈線性關系,荷載繼續增大,進入彈塑性階段,滯回曲線漸漸呈梭形,滯回環的面積也增大,水平荷載到達屈服荷載時,位移增大速度很快,滯回環面積更加飽滿;最后水平荷載達到最大荷載時,邊框柱鋼筋被拉斷,剛度衰減速度較快,墻體破壞較快。

圖5 密肋復合墻體的滯回曲線

(2)SW12處于彈性階段時,荷載與位移呈線性關系;當荷載加至開裂荷載時,荷載—位移曲線開始向下彎折;隨著荷載不斷增加,裂縫逐漸增多,剛度略有下降;水平荷載加至最大荷載時,剛度退化現象明顯,試件塑性變形顯著,滯回環面積不斷增大;當以位移控制循環時,承載力衰減很快,剛度退化明顯,滯回環面積增加不多,說明外框架柱底縱筋屈服后墻體的耗能能力較差;最后,墻體因底部沿剪切薄弱面出現大量滑移而破壞。整個加載—卸載過程,構件的承載力、變形、延性、耗能能力均低于SW5和SW6,破壞后期穩定性較差[6]。

將滯回曲線各加載等級第一循環的峰值點所連成的包絡線按照絕對值取平均的原則在第一象限迭加所得到的曲線,即為骨架曲線(圖6)。

從各個密肋復合墻體的骨架曲線可知:

(1)密肋復合墻體均經歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。

(2)密肋復合墻體SW12較密肋復合墻體SW6和SW5后期承載力下降速度更陡,破壞較為突然,即SW12為彎曲型破壞。

圖6 三個密肋復合墻體的骨架曲線

3.2 承載力、延性及變形能力

試件的主要抗震性能指標[7]如表2所示。①墻體極限承載力,以試驗中實測值為準,并取正反兩個加載方向上極限荷載絕對值的平均值。②延性,以位移延性系數[8]衡量,指構件超過彈性變形后的變形能力。設Δy為結構的屈服位移,Δw為結構的極限位移,則結構的位移延性系數為:μ=Δu/Δy。③變形性能,用極限屈服位移角θ衡量,它是結構的有效水平位移Δu與試件高度h的比值。它也是抗震性能的一個重要指標。

表2 密肋復合墻體主要抗震性能指標

通過表2,可得到如下規律:

(1)若墻體發生的是剪切型破壞,則肋柱數量多的墻體的承載力大于肋柱數量少的墻體,延性則相反,肋柱數量少的墻體的延性及變形能力大于肋柱多的墻體。

(2)發生彎曲型破壞的密肋復合墻體的承載力、延性及變形能力均小于發生剪切型破壞的密肋復合墻體。

3.3 耗能能力

等效粘滯阻尼系數[9]是判斷結構耗能能力大小的一個重要標志,阻尼系數越大,則試件的耗能能力越好。

表3 墻體在不同階段的等效粘滯阻尼系數he(%)

表3給出了各個墻體在不同階段的等效粘滯阻尼系數。可以看出:

(1)隨著水平荷載的增加,墻體的等效粘滯阻尼系數不斷增大,但增大率逐步減小。

(2)框格的分布形式影響墻體等效粘滯阻尼系數;由于SW12為5道肋柱,墻體抗側剛度較大,外框先于墻板破壞[10],即墻板幾乎沒有起到耗能作用,故耗能能力較弱,而SW5、SW6均發生剪切型破壞,砌塊、墻板、外框依次發生破壞,即三者均參與耗能,相比較SW12而言,SW5、SW6耗能能力較強。由此說明,剛度大的墻體耗能能力較弱。

4 結 論

(1)不同框格形式的密肋復合墻體在低周反復試驗中可能會導致不同的破壞模式,墻板與外框的剛度比是非常重要的影響因素,在設計與制作墻體時,若墻板肋柱數量設置過多,使其與外框的剛度比過大,則形成“強板弱柱”式的墻體,較快時間內從外框破壞,形成不利的彎曲型或彎曲型破壞模式。若肋柱數量設置適中或較少,則形成“強柱弱板”式的墻體,砌塊、框格、外框依次發生破壞,形成有利的剪切型破壞模式。

(2)若墻體均發生剪切破壞,肋柱數量較多的墻體承載力較大,而延性、變形能力及耗能能力較小。

(3)發生剪切型破壞的墻體的承載力、延性、變形能力及耗能能力均大于發生彎曲型破壞的墻體。

[1]姚謙峰,陳平,等.密肋壁板輕框結構節能住宅體系研究[J].工業建筑,2003,33(1):1-5.

[2]黃煒,姚謙峰,章宇明,等.密肋復合墻體抗震性能及設計理論研究[J].西安建筑科技大學學報,2005,37(1):29-34.

[3]黃煒,姚謙峰,等.加外框密肋復合墻板抗震性能研究[J].工業建筑,2003,33(1),7-9.

[4]姚謙峰,吳芳,等.密肋復合雙片墻體的受力性能研究[J].工業建筑,2008,38(1):31-35.

[5]黃煒,陳國新,姚謙峰.密肋復合墻體在擬動力試驗下的抗震性能研究[J].振動與沖擊,2007,26(3):49-54.

[6]姚謙峰,陳平.土木工程結構試驗[M].中國建筑工業出版社,2001.

[7]姚謙峰,黃煒,田 杰.密肋復合墻體受力機理及抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2004,25(6):67-74.

[8]田英俠.密肋復合墻板受力性能試驗研究與理論分析[D].西安:西安建筑科技大學,2002:25-32.

[9]Xiangdong Tong,Jerome F.Hajjar,Arturo E.Schultz and Carol K.Shield.Cyclic behavior of steel frame structures with composite reinforced concrete infill walls and partially-restrained connections[J].Journal of Constructional Steel Research,2005,1(4):531-552.

[10]黃 煒.密肋復合墻體抗震性能及設計理論研究[D].西安:西安建筑科技大學,2004:16-35.