約束砌塊結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)分析

馬淑芳，熊立紅

（天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程學(xué)院，天津 300384）

砌體結(jié)構(gòu)作為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，在我國(guó)有悠久的歷史，為保護(hù)耕地、愛(ài)護(hù)環(huán)境，新型墻體材料層出不窮。砌體結(jié)構(gòu)施工方便、建設(shè)周期短、成本低，符合我國(guó)目前的國(guó)情，因此，在我國(guó)應(yīng)用范圍很廣。但是，砌體強(qiáng)度低、延性差，屬于脆性材料，在歷次強(qiáng)烈地震中，砌體結(jié)構(gòu)的破壞最嚴(yán)重，人們的生命受到嚴(yán)重威脅，同時(shí)給國(guó)家和人們帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，抗震性能差這一缺憾使砌體結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的應(yīng)用受到限制，因此，工程師不斷地對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究和探索。

約束砌塊結(jié)構(gòu)是近年來(lái)研究和應(yīng)用的一種新型結(jié)構(gòu)形式，它是在砌塊結(jié)構(gòu)中設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱、芯柱、圈梁、水平條帶等約束構(gòu)件，將砌體包圍成約束塊。這種體系不僅使墻體的抗震剪切強(qiáng)度得到不同程度的提高，而且改善砌體的脆性性質(zhì)，提高變形能力。本文主要分析了芯柱、構(gòu)造柱、水平條帶等因素對(duì)約束砌體的變形能力和抗剪能力的影響，提出了約束砌塊砌體的恢復(fù)力模型，彈性位移角和極限位移角，約束砌體的延性系數(shù)，為約束砌體房屋的動(dòng)力分析提供一些基本數(shù)據(jù)，抗震變形驗(yàn)算提供理論依據(jù)。

1 墻片試驗(yàn)基本概況

本文收集了64片約束墻片的偽靜力試驗(yàn)材料，這些約束墻體試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置均采用建研式（四連桿），它能保證在水平作用力下試件頂面只發(fā)生平移而不發(fā)生轉(zhuǎn)角，這與砌體結(jié)構(gòu)在地震力作用下墻體的實(shí)際受力變形邊界條件相一致。試驗(yàn)加載方式均采用荷載控制并且分級(jí)加載，墻體開(kāi)裂后再改用位移控制，當(dāng)荷載下降到0.85Pu時(shí)，停止試驗(yàn)。

收集的墻片試驗(yàn)主要有:李曉安針對(duì)火山渣混凝土砌塊墻片的不同邊框、不同正應(yīng)力進(jìn)行研究抗側(cè)能力、變形能力和各因素對(duì)邊框墻體抗震性能的影響。李立群研究了在混凝土小型空心砌塊墻體中設(shè)置不同填芯率的芯柱和不同數(shù)量的水平條帶對(duì)砌體的承載能力和變形能力的影響。張毅斌研究了空心砌塊墻片的不同高寬比和開(kāi)洞對(duì)砌體的抗震性能的影響等。

2 約束墻體破壞特征

總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明，約束砌塊墻體的破壞可以分為三個(gè)階段:彈性階段、彈塑性階段、塑性破壞階段。從墻體的破壞現(xiàn)象可以得出以下結(jié)論:

（1）相對(duì)于墻片兩端設(shè)柱的墻體，中間設(shè)置芯柱/構(gòu)造柱的約束砌體的裂縫開(kāi)展過(guò)程更加緩慢。

（2）隨著芯柱數(shù)量的增加，砌體破壞時(shí)裂縫分布更加分散，砌體的變形能力也逐漸增大、芯柱在砌體中所發(fā)揮的銷(xiāo)鍵及約束作用極為明顯、破壞時(shí)，芯柱鋼筋發(fā)生屈服。

（3）水平條帶的設(shè)置使砌體的應(yīng)力發(fā)生了重分布，墻體破壞發(fā)生了很大變化。設(shè)置條帶降低了墻體的高寬比提高了墻體的剛度和抗剪能力，但是水平鋼筋的強(qiáng)度未充分利用。

（4）開(kāi)孔約束墻片中芯柱/墻中小柱和水平條帶對(duì)砌體的限制、約束作用明顯增強(qiáng)。芯柱和水平條帶得到充分的利用。

（5）約束砌體的各個(gè)組成部分的抗剪能力不是同時(shí)發(fā)揮的，它具有多道抗震防線(xiàn)。

3 約束砌塊砌體結(jié)構(gòu)變形能力與抗剪能力的影響因素

3.1 水平條帶的影響

把極限荷載對(duì)應(yīng)的位移Δu與開(kāi)裂荷載對(duì)應(yīng)的位移Δcr的比值U作為衡量砌體延性的指標(biāo)，加設(shè)水平條帶后砌體的應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，砌體的初裂及破壞均發(fā)生在條帶以下，同時(shí)也阻止了裂縫向上發(fā)展，砌體的變形能力和抗剪能力與條帶的截面積、數(shù)量有關(guān)。

圖1 水平條帶與變形能力（22%）

圖2 水平條帶與變形能力（33%）

從圖1和2對(duì)比中可以看出:填芯率為22%時(shí)水平條帶的數(shù)量增大，砌體的延性減小，但是填芯率為33%時(shí)水平條帶的數(shù)量增大，砌體的開(kāi)裂位移、極限位移和延性系數(shù)均增大，這個(gè)矛盾的現(xiàn)象表明水平條帶的數(shù)量對(duì)砌體變形的影響有待研究。

圖3 水平條帶與抗剪能力（填芯率22%）

圖4 水平條帶與抗剪能力（填芯率33%）

圖3和4水平條帶數(shù)量增大，約束墻片的開(kāi)裂荷載與極限荷載均增大，填芯率為22%時(shí)條帶數(shù)量從0到2開(kāi)裂荷載增大了55%，極限荷載增大了12%，填芯率為33%時(shí)開(kāi)裂荷載增大了12%,極限荷載增大6%，對(duì)比可知填芯率越大墻體的抗剪能力增加的速度越慢，條帶的數(shù)量對(duì)砌體開(kāi)裂荷載的增加是不容忽視的。

表1 水平條帶截面積對(duì)約束砌體抗震性能的影響

由表1可以看出:水平條的截面積增大會(huì)使延性增大。但是對(duì)抗剪能力沒(méi)有明顯提高。

3.2 芯柱的影響

芯柱在墻體中起到約束作用，它延緩和阻止了裂縫的發(fā)生、發(fā)展。使裂縫分布得更加分散，并且提供了一部分剪力。砌體的變形能力、抗剪能力的提高與芯柱的填芯率、位置、數(shù)量有關(guān)。

圖5 填芯率與變形能力

圖6 填芯率與抗剪能力

從圖5可以看出:隨著填芯率的增大，開(kāi)裂位移變化較小，極限位移增大的較為明顯，砌體的延性系數(shù)從6增大到12。圖6可以看出填芯率的增大使約束砌體的開(kāi)裂荷載與極限荷載呈線(xiàn)性增大，而且增大幅度相當(dāng)大。

實(shí)驗(yàn)表明:芯柱的集中布置會(huì)造成剛度集中，應(yīng)力集中，無(wú)芯柱區(qū)域裂縫延伸很快，發(fā)生很大滑移，迅速破壞，呈脆性破壞，而芯柱的均勻布置使墻體的延性和抗剪能力有明顯的改善，因此要合理均勻布置芯柱。

3.3 構(gòu)造柱的影響

圖7 兩端設(shè)構(gòu)造柱的砌體滯回曲線(xiàn)

圖8 兩端及中間設(shè)構(gòu)造柱的砌體的滯回曲線(xiàn)

構(gòu)造柱墻片與芯柱墻片有近似的性質(zhì)。從兩圖比較可知，兩端設(shè)柱的砌體的延性明顯大于兩端及中間設(shè)構(gòu)造柱的砌體，而兩端及中間設(shè)構(gòu)造柱的砌體的抗剪承載力要明顯高于兩端設(shè)構(gòu)造柱的砌體。實(shí)驗(yàn)表明，構(gòu)造柱的截面積越大，墻體的承載能力越強(qiáng)，但是截面過(guò)大時(shí)對(duì)墻體承載力的提高就會(huì)變得緩慢，并且構(gòu)造柱不能得較好的利用，因此建議使用截面積較小的構(gòu)造柱。在芯柱墻片與構(gòu)造柱的對(duì)比試驗(yàn)中，構(gòu)造柱墻片比芯柱墻片的抗剪承載力有明顯的提高，而延性有所下降，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要選擇適宜的約束體系。

3.4 高寬比的影響

圖9 高寬比與抗剪能力（σ0=0.3MP）

圖10 高寬比與抗剪能力（σ0=0.5MP）

從圖9、圖10中可以看出:高寬比的增加使墻體承載力有很大的下降趨勢(shì)。豎向壓應(yīng)力的增大加速了墻體承載力的下降，當(dāng)墻體的高寬比h/b<1時(shí)，墻體以剪切變形為主，彎曲變形影響很小，可以忽略不計(jì)。反之，墻體的彎曲變形很大，對(duì)于h/b=1.5就要同時(shí)考慮剪切變形和彎曲變形，而豎向壓應(yīng)力的增大加大了彎曲變形的效應(yīng)，使墻體承載力下降的更快，而延性就會(huì)增加。

3.5 其他因素的影響

豎向壓應(yīng)力增大使砌塊之間的剪切摩擦力增大，降低了約束砌體的延性，提高了約束砌體的抗剪承載能力和耗能能力。有門(mén)窗洞口的約束砌塊砌體由于孔洞對(duì)墻體整體的削弱作用使砌體的抗剪截面積減小，降低了墻體的剛度。使墻體的抗剪承載力下降，而延性提高，變形能力更大。

4 約束砌塊砌體墻片的位移角限值

從本文收集到的資料可以總結(jié)得出，約束墻片的開(kāi)裂位移角rcr=△cr/h的平均值為0.00046，極限位移角限值ru=△u/h的平均值為0.00538，變異系數(shù)分別為0.16和0.22。延性系數(shù)平均值為7.6。

5 骨架曲線(xiàn)與墻體破壞等級(jí)

荷載——位移骨架曲線(xiàn)是滯回曲線(xiàn)圖中滯回環(huán)頂點(diǎn)的外包絡(luò)線(xiàn)。骨架曲線(xiàn)明顯反映了墻體的破壞的三個(gè)階段，彈性、彈塑性、破壞階段。墻體開(kāi)裂前，力——位移關(guān)系基本是一條斜直線(xiàn)，位移增大，承載力隨之增大，表現(xiàn)彈性特征，墻體開(kāi)裂后，力——位移的關(guān)系呈曲線(xiàn)，由此可以看出約束砌體的彈塑性特征，在此階段墻體的剛度迅速下降，承載力依然增大，到達(dá)破壞階段后，剛度與承載力均緩慢下降。

經(jīng)過(guò)歸一化處理以后，荷載和位移用無(wú)量綱P/Pu和△/△u表示，把骨架曲線(xiàn)簡(jiǎn)化成“三折線(xiàn)”恢復(fù)力模型，如圖11所示。折線(xiàn)分別表示，彈性階段、彈塑性階段、下降段，折線(xiàn)點(diǎn)表示開(kāi)裂荷載點(diǎn)和極限荷載點(diǎn)，Pcr=0.6Pu,Δcr=0.212Δu,Δ0.85=1.7Δu,三折線(xiàn)方程為:

對(duì)照我國(guó)房屋震害程度分類(lèi)，可以看出它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。彈性階段墻體相當(dāng)于完好，彈塑性性階段相當(dāng)于中等破壞階段。破壞階段相當(dāng)于墻體接近倒塌狀態(tài)。

圖11 恢復(fù)力模型

6 結(jié)語(yǔ)

（1）從約束砌塊墻體的破壞特征可以明顯的看出，約束砌體墻片變形能力和抗剪承載力相對(duì)于無(wú)筋墻片有很大的提高，保證了墻體在地震作用下裂而不倒。

（2）填芯率對(duì)約束砌體的變形能力和抗剪承載力有很大的提高。而構(gòu)造柱墻片變形能力相對(duì)于芯柱墻片有所降低，但是抗剪承載力有明顯提高。因此對(duì)于小型空心砌塊墻體建議使用構(gòu)造柱—芯柱體系。水平條的數(shù)量對(duì)墻體的延性的影響有待研究，對(duì)抗剪承載力沒(méi)有明顯的提高。因此建議在無(wú)洞墻片的灰縫處使用水平拉結(jié)筋代替水平條帶，在有孔洞的墻片四周設(shè)置芯柱/墻中小柱和水平條帶。

(3)提出了約束砌塊砌體的開(kāi)裂位移角限值和極限角位移，為砌體結(jié)構(gòu)的抗震變形驗(yàn)算提供理論依據(jù)。

(4)提出了約束砌塊砌體的本構(gòu)模型和與墻體破壞的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為約束砌塊砌體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時(shí)程分析提供理論依據(jù)。

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