建筑模網混凝土矮墻抗震性能試驗研究

0 引 言

建筑模網混凝土墻體是一種全新的建筑結構，由鋼板網（蛇皮網）、豎向加勁肋和交錯連接的水平折鉤拉筋構成空間網架結構，內澆不振搗自密實混凝土后制成［1］.由于建筑模網的滲濾效應、消除容器效應、環箍效應和限裂效應，在施工過程中可以方便地實現不支模板與免振搗，施工方便快捷，并具有節能、環保等優點，在法國、美國、澳大利亞及我國較多工程項目中獲得了應用［2、3］.王立久開展了建筑模網混凝土的系統性研究，認為其滲濾效應可使模網內新澆混凝土通過滲流排除多余水分，降低水灰比，提高混凝土強度，滲濾的同時又消除混凝土中較大氣泡，消除鋼木模板所造成的容器效應，使模網混凝土實現不振搗自密實.環箍效應使模網混凝土處于三向受壓狀態，可使模網混凝土比普通混凝土強度提高；且建筑模網的三維空間整體結構，特別是鋼板網具有的明顯限裂作用，可使模網混凝土干縮值僅為普通混凝土的1／7～1／6［1、4、5］.何遠宏［6］通過22片模網混凝土墻體的抗震性能試驗，并基于理論分析和數值模擬，獲得了模網混凝土墻體抗震能力的初步認識，提出了模網混凝土墻體的抗震設計方法；馮鵬等［7、8］在模網混凝土墻體的基礎上外加薄壁型鋼作為受力構件，開展了鋼網構架混凝土復合結構的抗震能力試驗，驗證了這種新型結構體系的抗震能力.

總體來看，我國關于模網混凝土的研究仍處于起步階段，特別是對其抗震能力的研究較少，關于模網混凝土的抗震設計，更多的是借助于《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）［9］和《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）［10］執行，與我國目前模網混凝土在工程中應用的快速發展不相適應.為此本文進行6個模網混凝土墻體的抗震性能擬靜力試驗，重點研究其破壞形態、滯回曲線、變形能力和抗剪承載力，并結合國內其他試驗結果，對模網混凝土的抗剪強度進行研究，為促進此種結構的應用提供參考依據.

1 試驗概況

1.1 模網混凝土墻介紹

本文選用模網厚度均為160 mm，寬度為530 mm和990 mm兩種，如圖1所示.其中鋼板網由蛇皮網和V形肋構成，V形肋起到增加鋼板網剛度和控制其與加勁肋間隔的作用，蛇皮網起到滲濾作用.折鉤拉筋為5冷軋帶肋鋼筋，沿兩側加勁肋間距100 mm交錯放置，折鉤拉筋主要起到水平拉結作用，使建筑模網形成空間結構，并對混凝土提供環箍作用.加勁肋用鍍鋅帶鋼經特殊加工制成，主要起到支撐立面骨架作用，加勁肋抗拉強度≥370 MPa，屈服強度≥240 MPa，伸長率≥18%，基本尺寸為（47.0±0.5）mm×（17.8± 0.5）mm×0.5 mm（厚度）.

1.2 試件設計

圖1 建筑模網混凝土墻體Fig.1 The concrete walls with construction formwork

圖2 建筑模網混凝土矮墻試件設計詳圖Fig.2 Design details of the squat concrete walls with construction formwork

共設計了6片墻體試件，為W1～W6試件，各試件尺寸及配筋情況如圖2所示，其中W1為普通鋼筋混凝土墻體，配有8＠300的水平及豎向分布鋼筋（配筋率約為0.1%），為保證墻體抗彎承載能力，端部配有225豎向鋼筋；W2按模網原始設計，不另配水平及豎向分布鋼筋，端頭配225豎向鋼筋，驗證原設計模網混凝土墻體的抗震性能；W3同W2，只是在混凝土初凝后將表面鋼板網拆除，研究鋼板網對模網混凝土墻體抗震能力的影響；W4同W2，但拆除加筋肋，以木撐在鋼板網外支撐，以確保澆筑時的剛度，W4主要用以研究加勁肋對模網混凝土墻體抗震能力的影響；W5在W2的基礎上每間隔一個加勁肋（456 mm）加配26豎向分布鋼筋，確定豎向分布鋼筋的作用.W2～W5試件均采用2片990 mm寬的模網；W6同W2，但改用2片530 mm和1片990 mm寬模網，以確定模網拼接產生的豎向縫對墻體抗震能力的影響.模網拼接詳細情況如圖3所示.

實測混凝土150 mm×150 mm×150 mm試塊抗壓強度為42 MPa；5折鉤拉筋、25縱筋屈服強度分別為523和350 MPa.

圖3 模網混凝土墻體拼接縫詳圖Fig.3 Design details of segment gap of the concrete wall with construction formwork

1.3 加載設備及加載歷程

試驗在中國建筑科學研究院完成，試驗加載裝置如圖4所示，試件通過錨栓固定于地面，頂部由豎向千斤頂施加軸向荷載N＝600 k N（對應軸壓比約為0.07），試驗過程中保持不變，豎向千斤頂通過滑板與反力架橫梁相連，可保證軸力始終向下.側向荷載通過固定于反力墻上的水平千斤頂逐級施加，直至試件破壞.

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞現象

模網混凝土墻體（W2～W6）與普通混凝土墻體（W1）試件表現出較為相似的破壞過程，主要為加載初期，試件底部首先出現水平彎曲裂縫，隨側向荷載增大，水平裂縫逐漸增多，裂縫寬度增大并擴展為彎剪斜裂縫，并伴隨新的裂縫產生；加載后期，裂縫相互交錯貫通，試件最終出現主斜裂縫并發生脆性破壞，承載力迅速下降，試驗結束.

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test setup

圖5 試件的破壞形態Fig.5 The failure patterns of the specimens

各試件的最終破壞形態如圖5所示，可以看出，W3與W4試件沿兩個加載方向出現較為明顯的剪切破壞面，其余試件基本沿一個方向產生剪切破壞面；W2與W4試件沿模網拼縫出現豎向裂縫，但未成為主要破壞形態；分別拆除表面鋼板網和加勁肋的W3與W4試件表面混凝土出現較多的剝落，可發現加勁肋的鼓曲與鋼板網拉斷破壞情況，如圖6所示.

圖6 加勁肋與鋼板網的破壞形態Fig.6 Damage patterns of the stiffening rib and expanded metal lath

2.2 試件滯回曲線與骨架曲線

各試件的側向荷載F與頂部位移Δ滯回曲線如圖7所示，骨架曲線如圖8所示.可以看出，墻體發生開裂破壞前各試件滯回曲線基本呈直線，滯回環面積基本為零，試件處于彈性工作狀態；隨側向荷載增大，由于混凝土開裂和縱筋屈服，滯回曲線斜率逐漸減小，試件剛度退化，滯回環面積加大，試件殘余變形增加，試件達極限荷載后承載能力快速降低，直至試驗結束.總體來看，各試件延性變形能力均較低.但試件滯回曲線的“捏攏”現象并不嚴重，說明試件縱筋、加勁肋與混凝土之間的滑移現象并不嚴重［11、12］.需要說明，試驗過程中出現的疏漏使得W1與W6試件兩個方向的加載并不對稱，但不影響本研究的定性結論.

2.3 試件抗剪強度與變形能力

圖7 試件的滯回曲線Fig.7 Hysteretic curves of the specimens

各試件的極限承載力Fu、屈服位移Δy、極限位移Δμ、位移延性系數μΔ、極限位移Δμ與試件高度H的比值等主要試驗結果見表1，各參數的定義方式同文獻［13］.總體來看，各模網混凝土墻體基本達到了與普通混凝土墻體相當的抗剪能力，但變形能力偏低.拆除表面鋼板網的W3試件抗剪強度與變形能力均明顯偏低，說明鋼板網對模網混凝土墻體的抗震有利.拆除加勁肋的W4試件承載力較W2試件偏低，但變形能力與W2試件相當；配有豎向分布鋼筋的W5試件抗剪承載力略高于其他試件，但變形能力較差，表明模網混凝土墻內增加豎向分布鋼筋不增加其延性；W6試件的抗剪能力與變形能力與其他試件相比未表現出明顯差異，表明模網豎向拼縫對其抗震能力影響不大.需要說明，由于橫向水平鋼筋對剪力墻抗震性能的有利影響是眾多研究的普遍結論［14、15］，本文中W1試件的水平分布鋼筋配筋率約為0.1%，對W2～W6試件，水平折鉤拉筋換算配筋率為0.092%，與W1試件相當.

圖8 試件的骨架曲線Fig.8 The skeleton curves of the specimens

表1 主要試驗結果Tab.1 Main test results

3 模網混凝土矮墻抗剪強度分析

我國《建筑模網混凝土結構技術規程》（DB 21／T1210—2004）［16］對模網混凝土墻體抗剪承載力的規定借鑒了《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2002）的規定，考慮地震作用組合的剪力墻斜截面抗震受剪承載力計算公式為

式中：ft為混凝土抗拉強度；λ為計算截面的剪跨比，且1.5≤λ≤2.2；N為軸力，且N≤0.2fcbnh，fc為混凝土抗壓強度，bn為模網墻的計算凈寬度，且bn＝b－10 mm，b為模網的名義寬度；h0為墻體有效高度；Ash為配置在同一水平截面內的水平分布鋼筋的全部截面積；s為水平鋼筋豎向間距；fyv為水平鋼筋抗拉強度；Ashe為模網混凝土墻體內折鉤拉筋的折算面積；se為折鉤拉筋豎向間距；fyve為折鉤拉筋抗拉強度；γRE為構件承載力抗震調整系數.

將實測混凝土強度和水平分布鋼筋、折鉤拉筋強度代入上式進行計算，試件混凝土軸心抗壓強度fc和抗拉強度ft與150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊的抗壓強度fcu按下列關系換算［17］：

式中：α1為棱柱體強度與立方體強度之比，α2為高強混凝土的脆性折減系數，0.88為考慮實際構件與試塊混凝土強度之間的差異而采用的折減系數.

可以看出，《建筑模網混凝土結構技術規程》（DB 21／T1210—2004）對模網混凝土墻體的抗剪強度主要考慮了混凝土、軸力、水平箍筋及折鉤拉筋的貢獻.為了對模網混凝土墻體的抗剪強度獲得更清晰認識，以本文的6個試件及文獻［6］中發生剪切及彎剪的20個墻體試件試驗結果與式（1）進行對比，結果如圖9所示.26個試件中，包括5個普通混凝土墻體試件和21個模網混凝土墻體試件.5個普通混凝土墻體試件中，抗剪強度試驗值與計算值之比Fu／V在1.14～1.75，平均為1.37；21個模網混凝土墻體試件中，抗剪強度試驗值與計算值之比在1.09～1.77，平均為1.41.可以看出，《建筑模網混凝土結構技術規程》（DB 21／T1210—2004）對模網混凝土矮墻的抗剪強度有足夠的保證，同時，模網混凝土墻體的抗剪強度與普通混凝土墻體相比未表現出明顯差異.

圖9 模網混凝土墻體抗剪強度對比Fig.9 Comparison of shear strength of concrete walls with construction formwork

基于纖維模型計算了各試件縱筋屈服對應的抗剪承載力Fmy和試件破壞對應的抗剪承載力Fmu，結果如表2所示.對比表1和2可發現試件抗彎能力遠大于抗剪能力，為典型的強彎弱剪設計構件.

表2 試件抗剪能力Tab.2 The shear strength of the specimens

4 結 論

（1）建筑模網混凝土矮墻的破壞過程及最終破壞形態與普通混凝土墻體較為相似，呈剪切破壞形態；鋼板網對模網混凝土矮墻的抗震能力有較大影響，可提高墻體的抗剪強度和延性.

（2）模網混凝土墻體表現出較高的抗剪能力，且《建筑模網混凝土結構技術規程》（DB 21／T1210—2004）對模網混凝土的抗剪強度有足夠的保證.

（3）與普通混凝土墻體相比，模網混凝土墻體變形能力略低于普通鋼筋混凝土墻體試件，可通過改進其細部配筋措施提高其變形能力.致謝：中國建筑科學研究院王翠坤研究員、肖從真研究員在擬靜力試驗過程中給予了大力支持與幫助.

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