豎向荷載作用下帶縱向加強肋復合墻體受力性能研究*

陳國新， 王 利， 胡玉龍， 席 亮

(新疆農業大學水利與土木工程學院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著我國建筑行業的不斷革新，一大批新型建筑結構形式如雨后春筍般出現。如異形柱框輕結構[1]、短肢剪力墻結構[2]、CL結構體系[3]、裝配式密肋復合板結構[4]隨著建筑行業的發展應用也越來越多，建筑結構向著更加綠色、節能、環保、安全的方向發展。配筋砌體[5-6]的出現改善了砌體結構破壞模式不合理、不利于抗震設計的缺點，讓砌體能夠運用在更多的結構形式上。帶縱向加強肋復合墻體是一種在傳統砌體結構中增加多道配筋較小的鋼筋混凝土肋梁，并與框柱、暗梁整澆在一起，約束內部輕質保溫砌塊的新型建筑結構形式。復合墻體中框柱、加強肋和砌塊之間協同工作、共同受力，形成墻體各結構部位能夠共同發揮作用的復合型砌體結構，如圖1所示。

圖1 帶縱向加強肋復合墻體

為研究該復合結構的力學性能，使其具有更強的適用性，席亮[7]對豎向荷載作用下帶縱向加強肋復合墻體的荷載分配規律以及洞口對復合墻體承載力的影響進行了研究；胡玉龍[8]、呂信敏[9]對不同開洞工況下復合墻體的抗震性能和抗剪性能進行了分析，提出了豎向荷載作用下復合墻體的抗剪承載力計算公式。作為一種新型建筑結構，豎向荷載作用下帶縱向加強肋復合墻體的受力性能以及承載力影響因素的分析還較少，需進一步研究。本文設計并制作一榀縮尺比例為1/2的帶縱向加強肋復合墻體模型(SCW-1)并進行軸心抗壓性能試驗，以探究豎向均布荷載作用下復合墻體的受力性能，分析墻體的受力特點、破壞過程、破壞模式及框柱和肋梁中的鋼筋應變隨荷載變化的規律，并結合ABAQUS軟件對帶縱向加強肋復合墻體進行有限元分析，分析影響墻體承載力有的主要因素。

1 試驗簡介

1.1 試件的設計與制作

1.1.1 試件設計

試件為縮尺比例1/2的模型墻體，墻體原型尺寸2.8m×3.0m×0.2m，試驗墻體設計參數見表1。框柱配筋率為1.1%，肋梁配筋率為1.0%。墻體中框柱和暗梁均采用C30混凝土現澆。砂漿采用M5.0混凝土砂漿，砌塊采用干密度等級為B06，強度等級為A3.5的加氣混凝土砌塊。

設計參數 表1

1.1.2 材料性能

試件中鋼筋力學性能測試結果見表2。混凝土、填充砌塊及砂漿的測試[10]結果見表3。

鋼筋力學性能 表2

混凝土、砌塊、砂漿力學性能 表3

1.1.3 試件制作

試驗墻體制作時首先進行底部肋梁的支模、鋼筋綁扎和澆筑，在肋梁混凝土達到設計強度的50%時進行第一層砌體的砌筑，并在兩側框柱處留馬牙槎[11]；隨后進行中部肋梁和底部框柱的澆筑，待混凝土達到一定強度后進行第二層砌體的砌筑；然后以同樣的方法澆筑上部肋梁和中部框柱，待混凝土達到一定強度后進行第三層砌體的砌筑；最后澆筑暗梁與上部框柱，形成砌體、肋梁和框柱共同受力的整體。制作過程如圖2所示。

圖2 墻體制作過程

為探析在豎向荷載作用下墻體各部位中鋼筋的應力變化狀態，分析結構整體的受力特點，在墻體制作過程中將應變片粘貼在框柱和肋梁的鋼筋上，其中框柱中鋼筋應變片粘貼于肋梁和框柱節點下50mm對應的兩側鋼筋上，肋梁中的鋼筋應變片粘貼于縱向受力筋距梁柱節點50mm處和肋梁中部。加載裝置及應變測點布置如圖3，4所示。

圖3 加載裝置

圖4 應變測點布置

1.2 試驗方法

試驗采用豎向千斤頂經水平分配梁向試件施加豎向均布荷載，為確保分配梁與試件均勻接觸，在試件頂部與鋼梁接觸面均勻鋪設水泥砂漿并確保鋼梁與試件的幾何中心對齊。

試驗加載過程采用力控制[12]，加載過程分為預加載和試驗加載兩個階段。預加載階段分兩次從0kN加載至50kN，每次持時5min，再用同樣的方法卸載至0kN，加載速率控制在5kN/min左右。加載階段采用逐級加載，每級荷載50kN，每次持續時間為10min，直至墻體發生破壞，加載速率控制在10kN/min。

2 試驗現象及分析

豎向均布荷載作用下復合墻體受力主要經歷三個階段：彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。

彈性階段，豎向荷載較小時，墻體各承力構件無明顯變化。隨著荷載的增加，砌塊表面出現少量細微裂縫并伴隨有輕微的聲響，此時墻體中的砌塊發揮主要作用，以砌塊開裂來消耗豎向荷載作用下墻體產生的能量。當荷載達到135kN時，砌體出現少量可見性裂縫，此時荷載為極限荷載的35%。此后，裂縫不斷產生并逐步向砌塊與砂漿連接部位和鄰近肋梁部位擴張。

彈塑性階段，荷載繼續增加，角部砌塊出現貫穿性裂縫，原有裂縫也不斷增大并向框柱及肋梁節點處擴張。當豎向荷載加載至極限荷載的70%～80%時，下部肋梁出現多道貫穿性裂縫，此時肋梁發揮作用承擔了部分豎向荷載。與此同時，右側框柱柱腳處出現明顯的混凝土壓碎現象并伴隨著“吱吱聲”。

試驗加載后期的破壞階段，墻體上部砌塊出現脫落，砌塊和肋梁中的裂縫不斷向框柱延伸，節點處裂縫也向框柱側面擴張并呈彌散型開裂。此時墻體框柱及肋梁大部分鋼筋屈服，框柱柱腳及節點處和暗梁右上角混凝土局部被壓碎致使部分鋼筋外露，但墻體依然保持良好的穩定性。墻體破壞照片如圖5所示，破壞時的特征荷載和特征位移如表4所示。

圖5 墻體破壞照片

墻體特征荷載和特征位移 表4

3 鋼筋應變分析

3.1 框柱鋼筋應變分析

試驗墻體框柱中不同截面上鋼筋應變隨荷載的變化曲線如圖6所示。在圖6(a)中，左、右框柱底部鋼筋荷載-應變變化曲線均分為三部分：荷載達到150kN之前曲線基本呈線性增長，增長速率相對較為緩慢且變化較小；荷載從150kN增加到250kN時鋼筋應變迅速增加，此階段對應于墻體彈塑性階段；當承受的荷載接近250kN時，曲線出現明顯拐點，應變隨荷載增長趨勢減緩，此時所承受的荷載接近墻體極限荷載，大部分鋼筋已屈服。由圖6(b)可以看出，左、右框柱中部鋼筋的荷載-應變曲線變化趨勢十分接近，且與底部截面鋼筋破壞過程相一致；框柱上部鋼筋應變在整個加載過程中增長速率一直較快，直到荷載達到250kN時，荷載-應變曲線變化才逐漸平緩。

圖6 SCW-1墻體左、右框柱鋼筋荷載-應變曲線

試件左、右框柱鋼筋的應變基本相似，且在受力過程中始終處于受壓狀態，其中框柱上部受力最小，中部次之，下部最大，且框柱底部鋼筋應變大于上部鋼筋的。

3.2 加強肋鋼筋應變分析

3.2.1 不同肋梁相同位置鋼筋測點應變分析

帶縱向加強肋復合墻體由下到上共設置三道肋梁，按照肋梁位置分為底部肋梁、中部肋梁和上部肋梁，圖7為各個肋梁中部應變。由圖7可以明顯看出，各道肋梁中部鋼筋應變狀態相差懸殊。究其原因，豎向荷載作用下框柱承受較大壓力[7]，與肋梁之間形成拉桿拱效應[13]，其中上部肋梁產生的拉桿拱作用最大，呈現出較大拉應變。豎向荷載向下傳遞過程中，中部肋梁和砌塊之間的協同工作效應較強，拉桿拱作用不明顯，呈現出輕微受拉作用，鋼筋應變在0～50με之間。下部肋梁則未產生拉桿拱作用，呈現出壓應變，且應變值為上部肋梁的1/3。在試驗初期，墻體豎向荷載較小，且荷載由各承力構件共同承擔，肋梁所分擔的力較小，因此各曲線初期應變值都很小。當荷載由100kN增加到150kN時，曲線出現明顯轉折，這是由于該階段砌塊出現較多裂縫并向各道肋梁延伸，肋梁開始承受部分荷載所致，此時肋梁發揮作用承擔荷載。

圖7 SCW-1墻體肋梁中部鋼筋荷載-應變曲線

3.2.2 相同肋梁不同鋼筋測點應變分析

圖8(a)為SCW-1墻體底部肋梁鋼筋荷載-應變曲線。由圖8(a)可知，同一道肋梁上鋼筋的應變具有基本相似的應力變化趨勢，即隨著荷載增加，應變不斷加大。在試驗加載過程中處于肋梁底部的鋼筋始終受壓。

圖8 SCW-1墻體肋梁鋼筋荷載-應變曲線

圖8(b)為SCW-1墻體中部肋梁鋼筋荷載-應變曲線。由圖8(b)可以看出，中部肋梁在受力過程中始終受拉，隨著荷載的增大拉應變逐漸增大，并且中部肋梁兩側鋼筋應變值比中部應變值變化快。在豎向荷載達到250kN之前，肋梁中部鋼筋無明顯變化，隨后鋼筋開始逐漸承受拉力，并逐漸增加。

圖8(c)為SCW-1墻體中部肋梁鋼筋荷載-應變曲線。由圖8(c)可以看出，上部肋梁鋼筋應變發展趨勢相差較大，豎向荷載在50kN以內時，肋梁中部和兩側承擔荷載較小，應變變化不大。隨著荷載的逐漸增加，肋梁兩側鋼筋應變發展較快，肋梁中部鋼筋應變發展趨勢則較為緩慢。

不同肋梁在相同位置的應變狀態相差較大，底部肋梁在墻體受力過程中處于受壓狀態，上部肋梁鋼筋處于受拉狀態，中部肋梁則介于兩者之間。底部肋梁鋼筋均處于受壓狀態，且不同位置的鋼筋應變基本相同。中部肋梁鋼筋處于受拉狀態，且中部鋼筋應變相對于兩側較小。上部肋梁鋼筋均處于受拉狀態，且兩側鋼筋應變發展較快，中部鋼筋發展趨勢較為緩慢。

4 復合墻體豎向承載力影響因素分析

帶縱向加強肋復合墻體豎向承力部件由框柱、砌塊和加強肋構成。采用ABAQUS軟件建立承力部件變化的不同工況條件下數值模型并進行計算。選取框柱混凝土強度等級及配筋率、肋梁配筋率和砌塊強度等級作為變量，探究墻體軸心受壓承載力變化情況，參數變量如表5所示。

模擬參數變量 表5

采用ABAQUS軟件建立與試驗墻體參數相同的模型墻體進行有限元分析，將試驗結果與數值模擬結果進行對比，結果如圖9所示。由圖9可以看出，試驗與數值模擬所得荷載-位移曲線趨勢基本相似，表明二者擬合狀況較好，模擬結果具有一定的準確性[13-15]。在此基礎上通過改變各個變量的參數，共建立了13塊不同工況下的模擬墻體，計算當參數改變時，墻體極限承載力相對于試驗墻體的提升比例，其模擬結果如表6所示。

圖9 SCW-1墻體試驗與數值模擬結果對比

墻體承載力提升率 表6

4.1 框柱混凝土強度等級

框柱是承擔墻體軸心荷載的重要部件，由圖10墻體承載力隨框柱混凝土強度等級的變化規律可以看出，當混凝土強度等級從C25提高至C30時，墻體的承載力提高程度最大，達到19.2%，表明在此區間內混凝土最能充分發揮其軸心承載力作用，使得其極限承載力大幅度提高。混凝土強度等級從C30提高一個等級(即提高至C35)時墻體極限承載力高約12.2%，再提高一個強度等級(即提高至C40)時墻體極限強度只提高了約9.1%，此時混凝土強度等級的提高對墻體極限承載力的提高作用不大。

圖10 墻體極限承載力隨框柱混凝土強度等級變化規律

4.2 框柱配筋率和肋梁配筋率

由圖11可以看出，改變框柱配筋率對墻體極限承載力的影響明顯大于改變肋梁配筋率。這是由于框柱在墻體受力過程的各個階段都起到了較大作用，通過提高框柱配筋率會大幅度提高墻體極限承載力。

圖11 墻體極限承載力隨框柱配筋率與肋梁配筋率的變化規律

框柱配筋率對墻體極限承載力影響較大，當框柱配筋率由1.1%提高至2.5%時，墻體極限承載力由358kN提升至390kN，提升率變化減緩，表明較高的框柱配筋率對墻體抗壓能力提高沒有明顯作用。

提高肋梁配筋率對極限承載力的影響較小，肋梁配筋率從1.0%提高至3.1%時，墻體極限承載力只提高了38.1kN，相較于框柱配筋率對極限承載力的提高作用小。

4.3 砌塊強度等級

圖12為承載力隨砌塊強度等級變化的規律。由圖12可知，在墻體不設置砌塊時，其整體極限承載力為225kN；在加入A2.5砌塊時，墻體極限承載力提高至309kN，由于砌塊的加入，框格受力過程中受到了一定約束，從而提高了復合墻體的整體性，增大墻體的豎向承載力。當砌塊強度等級由A2.5增加到A3.5時，墻體極限承載力增大了5.5%；再將砌塊強度提高一個等級，墻體極限承載力增大了11.7%。砌塊強度在A2.5～A3.5區間時墻體極限承載力提升率明顯小于砌塊強度在A3.5～A5.0區間時，說明在僅考慮極限承載力大小的情況下，砌塊強度等級越接近肋梁、框柱的強度，三者之間的協同工作作用越強，承載力越大。

圖12 墻體極限承載力隨砌塊強度等級變化規律

提高框柱混凝土強度等級和配筋率、肋梁配筋率以及砌塊強度等級均能提高墻體極限承載力，但隨著變量的增大，提高的效果逐漸變弱。框柱混凝土強度等級是影響墻體極限承載力的重要因素，框柱配筋率和砌塊強度等級次之，肋梁配筋率最小。

5 結論

對一榀帶縱向加強肋復合墻體進行靜力試驗，結合墻體的數值模擬結果對復合墻體的豎向承載力及其影響因素進行研究，結論如下：

(1)構件在豎向均布荷載作用下的試驗全過程主要經歷了三個階段：彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。彈性階段，框柱、肋梁和砌體共同承擔荷載；彈塑性階段，肋梁發揮作用承擔部分荷載；破壞階段，砌體退出工作，荷載主要由框柱承擔。

(2)試驗墻體的破壞由上部砌塊開始，最終由于框柱鋼筋屈服、混凝土壓碎且部分鋼筋外露導致結構整體的破壞。墻體受力過程中，荷載在達到250kN左右時墻體內鋼筋開始屈服。墻體破壞時，框柱中部、下部鋼筋以及肋梁上部邊緣鋼筋均屈服，極限荷載達300kN。

(3)墻體受力過程中，框柱承擔了墻體的大部分豎向荷載，且左右兩側受力基本相似；肋梁底部鋼筋受力過程中始終受壓，上部肋梁主要受拉，中部肋梁鋼筋應變在0～50 με之間。

(4)框柱混凝土強度等級的提高對墻體極限承載力有明顯積極作用，是影響墻體豎向承載力的重要因素之一，框柱配筋率和砌塊強度等級的影響次之，肋梁配筋率對墻體豎向承載力影響程度最小。