陶粒粉煤灰配筋砌體墻抗震性能試驗及理論研究*

苗欣蔚， 黃 煒

(1 西安建筑科技大學理學院，西安 710055； 2 西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

0 概述

砌體結構歷史悠久，但隨著人們對環境保護的日益重視和對建筑使用要求的提升，同時由于砌體結構自身抗震性能較弱的特性，研發新型綠色材料替代傳統砌筑材料，以及改善其整體抗震性能，已成為新型砌體結構、高性能生態砌體材料結構快速推廣應用的關鍵科學技術問題[1-2]。本文提出的陶粒粉煤灰配筋砌體墻是在綠色材料與配筋砌體結構相結合后提出的。其中，墻體材料為陶粒粉煤灰發泡混凝土砌塊，容重相當于普通混凝土的60%，節能環保并具有自保溫的性能。

1 試驗概況及試驗結果分析

1.1 砌體的基本力學性能試驗

試驗使用陶粒粉煤灰發泡混凝土砌塊，陶粒密度為886kg/m3，粉煤灰二級，發泡劑占水的體積量為2%，主砌塊和輔砌塊尺寸均為390mm×190mm×120mm，其中主砌塊為實心，輔砌塊延縱向開槽(截面呈U型)以放置肋梁鋼筋； 砌塊強度等級為MU10，容重為15.3×103N/m3，棱柱體軸心抗壓強度為10.27N/m3。

依照試驗標準要求，所砌筑砌體為3層，規格為600 mm×390 mm×120 mm，包含一道豎向砂漿縫和兩道水平砂漿縫，砌筑砂漿強度為M10； 進行砌體軸心抗壓和抗剪強度試驗，實測砌體抗壓強度平均值為6.15N/m3，抗剪強度平均值為0.067N/m3，彈性模量E為4×103MPa。試驗加載裝置及測點布置如圖1所示。

圖1 砌體試驗加載裝置及測點布置圖

砌體受壓應力-應變曲線如圖2所示，其中Y-1，Y-2，Y-3分別表示3個砌體試件的受壓應力-應變曲線，選取一條彈性、彈塑性段明顯，彈性荷載、峰值荷載接近均值且下降段曲線平滑的應力-應變曲線Y-3作為后期有限元模擬的墻體材料本構，對該本構方程進行線性擬合，得到擬合方程式(1)。

圖2 砌體受壓應力-應變曲線

(1)

1.2 墻體試驗

圖3 試件墻板及基礎的尺寸與配筋

圖4 加載裝置示意圖

試件設計參數 表1

1.3 試驗結果分析

1.3.1 滯回曲線

墻體破壞圖及滯回曲線分別如圖5,6所示。由圖6可知，試件W-1有明顯的捏攏現象，這是由于砂漿縫破壞，導致砌塊整層滑移，因此 試件W-1的水平位移較大，破壞前達40 mm，同時由于墻體滑移使其承載力下降平緩； 試件W-2的滯回曲線更飽滿，耗能更佳，這是由于布置了兩道水平向配筋，增加了水平向鋼筋傳遞墻體所受的剪力，其耗能性能更佳，表明設置雙肋梁的墻體受力性能優于設置單肋梁的墻體。

圖5 墻體破壞圖

圖6 墻體滯回曲線

1.3.2 承載能力

特征荷載及特征位移如表2所示，由表可知：雙肋梁墻體除開裂荷載小于單肋梁墻體，其屈服荷載和極限荷載分別較單肋梁墻體提高了25%，40%； 雙肋梁可較好地約束砌體部分，減緩裂縫的開展，從而提升墻體整體受力性能。

特征荷載及位移 表2

1.3.3 變形和耗能能力

將試件(W-1，W-2)的位移延性系數、極限屈服位移角、等效黏滯阻尼系數與其他不同材料的配筋砌體剪力墻[3-6]相應系數比較，如表3所示。

植物纖維生土基砌塊、秸稈泥坯磚、混凝土加氣塊三種砌體墻與本試驗墻體具有相同高寬比和軸壓比，再生混凝土砌塊砌體墻與本試驗墻體具有相同高寬比； 砌塊的立方體抗壓強度均在1.6～10MPa之間。分析可得：1)本試驗墻體的位移延性系數均高于其他幾種材料的砌體墻； 說明其變形能力優于其他墻體； 2)本試驗墻體的等效黏滯阻尼系數與植物纖維生土基砌塊砌體墻相當，均大于其他兩種材料，且各階段增長穩定，表現了各個階段穩定耗能的優勢； 3)極限屈服位移角方面，本試驗墻體與混凝土加氣塊砌體墻接近，優于再生混凝土砌塊砌體墻。

延性及耗能能力比較 表3

2 有限元分析

本文采用ABUQUS軟件進行整體建模，砌塊和砂漿近似為各向同性的均質材料。

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2.1 材料的參數定義

鋼筋采用理想的彈塑性體的應力-應變曲線，混凝土選用《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[7]中的損傷塑性模型，砌體采用試驗得出的受壓本構模型，其受拉本構模型即參照混凝土。其他參數的定義，本文取混凝土的密度為 2 500kg/m3，彈性模量E為3×104MPa，泊松比為0.2； 鋼筋的密度為7 800kg/m3，彈性模量E為2×105MPa，泊松比為0.3； 砌體的密度為1 500kg/m3，泊松比為0.2。本文假定砌體和梁柱之間沒有相對滑移，達到完全的綁定約束(tie)。柱端和基礎邊界條件如圖7所示。

圖7 柱端和基礎邊界條件

2.2 有限元模型驗證

分別建立試件W-1和 W-2的墻體有限元模型(圖8)，并按照試驗情況分別施加位移荷載與豎向集中荷載，分析模擬結果與試驗結果的對比，模擬值與試驗值的荷載-位移(P-Δ)曲線對比如圖9所示。

圖8 模擬與實際破壞圖

圖9 試驗與模擬荷載-位移曲線對比

由圖8所示的模型破壞應力云圖可知，墻體應力最大處位于受壓區底部靠近構造柱，與試驗中墻體破壞位置吻合，砌體墻上部應力相對集中區域，與試驗中墻體裂縫分布較密位置符合，而構造柱中部及加載梁應力較小，試驗墻體在此處為開裂或少量開裂，模擬結果與試驗結果相符。由圖9及表4可知，試件W-1的模擬值與試驗值曲線接近，屈服荷載和破壞荷載吻合度較高，峰值荷載的模擬值略大于試驗值； 試件W-2的模擬值與試驗值曲線趨勢較接近，墻體屈服后可知，峰值荷載和極限屈服位移的模擬值略高于試驗值，兩者屈服荷載接近，表明此模型有較好的精度。

2.3 有限元模型擴展分析

為研究改變不同墻體參數對抗剪承載力的影響，通過前期已驗證的有限元模型，設計了6榀改變關鍵墻體參數的有限元模型，模擬了試驗加載情況，如表5所示。

試驗和模擬值對比 表4

墻體有限元模型擴展分析 表5

3 砌體墻抗剪承載力分析

3.1 復合受力作用下墻體的破壞機理

砌體墻的抗剪強度理論有多種，由于剪摩破壞理論對砌體開裂后的受力情況分析更加符合實際、且公式簡單明了，因此本文選用剪摩破壞理論來研究砌體墻的抗剪承載力。

3.2 理論公式的建立

砌體墻的抗剪承載力主要受砌體的抗剪強度、構造柱抗剪強度、豎向壓力、砂漿強度、開洞情況、混凝土強度、水平向鋼筋的抗拉強度、墻體剪跨比等因素的影響[8]，因此綜合考慮得出該砌體墻抗剪承載力Vu主要由以下三項組成：

Vu=Vm+Vsh+Vc

(2)

式中：Vm為砌體的抗剪承載力；Vsh為水平鋼筋抗剪承載力；Vc為構造柱的抗剪能力。

3.2.1 構造柱項

構造柱在砌體結構中主要起到抵御橫向荷載的作用，也就是抗剪或抗震作用，筆者總結數位學者[9-12]對配筋砌體墻抗剪承載力理論公式的研究，歸納列舉出以下五類，主要區別在于有無考慮構造柱箍筋對抗剪承載力的影響和構造柱影響系數(對抗剪承載力影響的比重)，如表6所示。

綜合考慮以上各式，考慮構造柱箍筋對抗剪承載力的貢獻較弱，可予以忽略，并取η=1，得到的連接柱項的抗剪承載力Ve為：

Vc=ζcftAc+0.08fyvAsv

(3)

式中：ζc為連接柱混凝土抗剪作用影響系數；ft，fyv分別為連接柱混凝土和鋼筋的抗拉強度。

構造柱抗剪項公式對比 表6

3.2.2 砌體和水平鋼筋項

參考《砌體結構設計規范》(GB50003—2011)[13](簡稱砌體規范)中砌體及水平鋼筋項的抗剪承載力分別為：

Vm=α1fvgbh0+μN

(4)

(5)

式中：α1，α2分別為砌體與水平鋼筋的抗剪作用影響系數； fvg，fyh分別為砌體與水平鋼筋的抗拉強度； N為豎向荷載。

綜上所述，并參考文獻[10，11]中砌體墻抗剪承載力計算公式，取長補短，提出陶粒粉煤灰配筋砌體墻斜截面抗剪承載力V的一般表達式為：

ζcftAc+0.08fyvAsv

(6)

式中 μ，ζc，α，b，α1，α2為未知量，現基于試驗和有限元擴展分析通過線性回歸，可得出：a=0.09，b=0.06。

同理可得：ζc=0.4。

3.2.3 其他參數的確定

對于水平鋼筋影響系數，砌體規范取0.9； 《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3—2010)取1.0； 《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)(2016年版)[4]中根據不同高寬比取0.4～1.2； 為安全起見本文取0.8。

正壓力影響系數不易分析，國內外學者經過大量試驗得出不同結果，但仍未統一； 如陳海燕[9]取0.17，國外的公式普遍取0.12，本文μ=0.1。

α1fvbh0項中的α1為砌體影響系數，《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)中取0.05，熊立紅[10]中取0.04，本文取0.04。

確定以上參數后提出陶粒粉煤灰配筋砌體墻的抗剪承載力一般公式為：

+0.5ftAc+0.08fyvAsv

(7)

公式計算結果與實測抗剪承載力的比較如表7所示，公式的計算誤差均在10%以內，可見公式具有較好的精度。

公式計算結果與實測抗剪承載力的比較 表7

4 結論

通過以上試驗研究、數值模擬及理論分析可得到以下結論：

(1)在相同軸壓比或高寬比的試驗條件下，與不同材料配筋砌體墻相比，陶粒粉煤灰配筋砌體墻的各階段耗能能力均大于混凝土加氣塊砌體墻和秸稈泥坯磚砌體墻，與植物纖維生土基砌塊砌體墻接近，但陶粒粉煤灰配筋砌體墻開裂時的等效黏滯阻尼系數略高于植物纖維生土基砌塊砌體墻，而后期穩定增長； 陶粒粉煤灰配筋砌體墻的極限屈服位移角接近于混凝土加氣塊砌體墻，優于再生混凝土砌塊砌體墻，小于植物纖維生土基砌塊砌體墻； 陶粒粉煤灰配筋砌體墻的延性性能接近再生混凝土砌塊砌體墻，均優于其他三種材料的配筋砌體墻。說明陶粒粉煤灰配筋砌體墻具有良好的變形能力和耗能性能。

(2)根據試驗建立的有限元模型，可反映試驗實際破壞現象和位置，并且所模擬的承載力與實際相吻合，證明該模型具有較高的參考價值。

(3)本文建立的墻體受剪承載力公式可較準確地計算出墻體抗剪承載力，可為今后科研工作提供借鑒。