輕型裝配鋼管混凝土框架-耗能減震地聚物墻抗震性能

周中一 靳宇航 龐新龍 羅詒紅

（中國地震局工程力學研究所，地震工程與工程振動重點實驗室，哈爾濱150080）

0 引 言

多層砌體結構抗震能力較差，歷次地震中損毀嚴重。研發造價低、構造簡單、施工簡便、抗震性能好的低多層裝配式建筑已成工程和社會亟需。夏冰青［1］、江風波［2］、胡海兵［3］、許業玉等［4］對不同設計參數的輕鋼龍骨-復合板材組合墻體的軸壓性能和抗震性能進行了試驗研究和理論分析，分析了抗剪承載力、延性和損傷演化規律等，給出了承載力計算方法。田穩苓［5］提出了一種帶方鋼管連接件的泡沫混凝土輕鋼龍骨復合墻體，進行了試驗與理論研究。陳峰［6］分析了輕鋼龍骨多層鋼結構住宅體系的經濟性。朱婉婕等［7］研發了無豎向灰縫的加長砌塊，研究了用于裝配式墻體的加長型混凝土砌塊的抗壓強度、抗剪強度等力學性能及破壞模式。衛軍等［8］總結了我國傳統農村住宅結構體系及存在的問題，列舉了適用于新農村建設的裝配式住宅結構體系，分析了阻礙農村裝配式住宅發展的因素。周中一等［9-10］研發了L 形邊框單排配筋保溫模塊矮剪力墻結構，實現了抗震節能一體化；并將該結構與鋼管混凝土框架結構結合，研發了輕型裝配式框架-變形可控地聚物墻結構［11］，實現了建筑構件輕型化、裝配化和地聚物填充墻的變形和損傷控制。

本文研發的輕型裝配式鋼管混凝土框架-耗能減震墻結構，是在文獻［11］基礎上提出的輕型裝配式鋼管混凝土框架-耗能減震地聚物墻結構。為研究其抗震性能，進行了3 個足尺輕型裝配式框架-耗能減震地聚物墻模型的低周反復荷載試驗，研究了地聚物墻-框架間連接方式和橡膠阻尼層對整體結構抗震性能的影響。

1 輕型裝配鋼管砼框架-耗能減震地聚物墻

研發的輕型鋼管混凝土框架由型鋼梁、型鋼節點、柱端連接件和鋼管混凝土柱等部件構成，各部件間通過螺栓或焊接連接［11］，如圖1 所示。各裝配部件自重較輕，人工即可搬動，不需要大型機械施工，適宜在機械化程度較低的村鎮地區推廣應用，裝配過程見圖2。

圖1 裝配化部件連接構造Fig.1 Construction Details of assembled parts

圖2 輕型框架裝配過程Fig.2 Construction details of the assembled lightweight frame

地聚物混凝土墻與框架梁通過變形可控連接，該連接主要由焊接在鋼管混凝土柱側面和地聚物墻四周的連接板構成，柱連接板上預留豎向槽，墻連接板上預留水平槽，高強螺栓穿過水平槽和豎向槽將兩者連接成整體。連接螺栓可在水平槽和豎向槽內有限滑動，延緩并減小了框架傳遞給墻體的荷載，可使框架變形達到規范規定的彈塑性極限位移角時，填充墻損傷輕微。在墻連接板和柱連接板間設置橡膠阻尼層，框架變形時，填充墻與橡膠阻尼層間摩擦耗能，提高結構的整體耗能能力，連接構造見圖3。

圖3 連接構造Fig.3 Connection detail between frame and wall

2 試驗概況

2.1 模型設計

共設計了3 個足尺輕型鋼管混凝土框架-耗能減震墻模型，包括：1 個無橡膠阻尼層變形可控連接的整體裝配式填充墻試件，編號為LSFR-4；1個上下端鋪設橡膠阻尼層的整體裝配式填充墻試件，編號為SFDW-1；1 個上中下部鋪設橡膠阻尼層的分體裝配式地聚物墻試件，編號為SFDW-2。各試件幾何尺寸及構造見圖4，圖4（a）為文獻［11］所述無橡膠阻尼層墻體構造，圖4（b）、圖4（c）為帶橡膠阻尼層墻體構造，所有墻體與框架梁的連接與圖3 中連接構造相同。各試件中鋼管規格為150 mm×150 mm×6 mm，型鋼梁規格為200 mm×150 mm×6 mm×9 mm，柱端連接件鋼板和連接板厚度為10 mm，地聚物墻厚100 mm，鋼管內填充混凝土和墻體混凝土強度等級均為C40，地聚物墻與框架柱間縫隙用蒸壓加氣混凝土砌塊填充。

圖4 地聚物墻體模型尺寸及連接構造（單位：mm）Fig.4 The dimension and connection detail of the specimen（Unit：mm）

2.2 試驗加載與測點布置

試驗在中國地震局工程力學研究所恢先地震工程與工程振動重點實驗室進行。首先通過豎向千斤頂在鋼管混凝土柱頂部施加300 kN 荷載，并保持恒定，以模擬軸壓，之后在框架梁中心點處施加低周反復水平荷載，加載過程采用位移控制，1%位移角前每級荷載增量為3.6 mm，1%位移角之后每級荷載增量為7.2 mm，每級荷載循環兩次。試驗加載裝置見圖5。

圖5 試驗加載裝置Fig.5 Loading device

在框架梁中心點處布置水平位移計，測量水平荷載下框架整體變形情況，在鋼管混凝土柱底部布置位移計，測量柱底變形，沿框架對角線方向布置位移計，測量墻體斜向變形；在鋼管底部、梁柱節點區布置應變片，測量關鍵點應變，測點布置見圖6。

圖6 測點布置Fig.6 The arrangement of measuring points

3 試驗分析

3.1 墻體損傷

上下變形可控連接無橡膠阻尼層試件LSFR-4：蒸壓加氣混凝土砌塊強度較低，先于主體結構開裂、損傷、剝落；地聚物墻體與砌塊相互擠壓過程中輕微損傷；砌塊脫離主體結構后，地聚物墻變形空間增大，墻體與框架梁間的變形可控連接允許兩者相對變形，地聚物墻損傷并未加重；加載點位移達1/66 位移角時，墻體對角線方向出現主斜裂縫，見圖7（a），之后墻體裂縫逐漸增多，見圖7（b）；變形達1/25 位移角時，地聚物混凝土墻體損傷嚴重，見圖7（c），鋼管混凝土柱底部屈曲，見圖7（d）；試驗過程中地聚物混凝土墻體與框架間連接可靠，僅有少部分連接螺栓被剪斷。

圖7 上下變形可控連接試件（LSFR-4）損傷狀態Fig.7 Damage state of specimen LSFR-4［11］

SFDW-1、SFDW-2損傷發展過程相同點：

（1）框架與填充墻間的蒸壓加氣混凝土砌塊損傷發展過程與LSFR-4相同；

（2）砌塊脫離主體結構后，地聚物墻變形空間增大，橡膠阻尼層發生剪切變形耗散地震能量，減輕了墻體損傷；

（3）地聚物墻與框架梁間的相對變形超過水平連接槽或豎向連接槽（圖3）的長度時，地聚物墻損傷加重；位移角達1/25 時，地聚物墻四角混凝土脫落，部分鋼筋露出，試件整體損傷發展過程見圖8。

圖8 SFDW-1 損傷發展過程Fig.8 Damage evolution process of SFDW-1

SFDW-1、SFDW-2 損傷發展過程不同點：與SFDW-1 相比，試件SFDW-2 中部橡膠阻尼層將整體墻分解成上下兩部分，降低了墻體的剪跨比（約為0.5）；墻體上下兩部分沿著中部橡膠阻尼層剪切滑移，墻體上下兩端與框架梁連接處相對變形較小，損傷較輕；中部連接處墻體相對變形大，墻體角部混凝土被連接螺栓剪壞，損傷較重，見圖9。

圖9 SFDW-2 損傷發展過程Fig.9 Damage evolution process of SFDW-2

綜上所述：

（1）與未設置橡膠阻尼層試件LSFR-4 相比，試件SFDW-1 和試件SDFW-2 與框架間的連接較弱，框架傳遞給墻體的荷載較小，墻體損傷較輕；

（2）橡膠阻尼層增大了墻體連接板與框架梁連接板間的阻尼，增強了整體結構耗能能力；

（3）與SDFW-1 相比，SDFW-2 在墻體中部設置了橡膠阻尼層，減小了墻體的剪跨比，增大了剪切變形所占比例，改變了墻體的損傷演化方式，使得墻體損傷主要集中在上下墻的連接處。

3.2 輕型裝配式框架

試件 LSFR-4、SFDW-1、SFDW-2 的輕型裝配式框架的損傷發展過程基本相同：隨著加載點水平位移增大，輕型裝配式框架變形進入彈塑性階段，框架梁翼緣與型鋼節點連接處首先屈曲，部分焊縫撕裂，見圖10（a）；地聚物墻和框架梁的相對變形超過連接槽長度時，連接螺栓被卡，墻體的損傷會加重，當變形過大時，部分連接螺栓被剪斷，見圖10（b）；柱端連接件對柱底進行了局部加強，鋼管混凝土柱底損傷上移，位移角達到4%時，柱端連接件上部鋼管混凝土柱局部屈曲，見圖10（c），部分鋼管混凝土柱底部與柱端連接件交接處焊縫撕裂，見圖10（d）。

圖10 輕型裝配是框架損傷Fig.10 Damage of the lightweight assembled steel frame

3.3 承載力

實測各試件特點荷載見表1，表中Fp為峰值點荷載，F為破壞點荷載即框架變形較大，試驗終止時的荷載。因試驗中SDFW-1、SDFW-2 的彈塑性變形能力強，位移角達到4%時，荷載位移曲線仍處于水平段，荷載未明顯下降，故表1 中未列出承載力下載至85%時的特征荷載。

由表1可見：

表1 實測各試件特征點荷載Table 1 Experimental results of characteristic point load

（1）無橡膠阻尼層試件LSFR-4 的峰值承載力較高，比上下兩端設橡膠阻尼層整體墻試件SFDW-1 高48%，比上中下設橡膠阻尼層分體裝配墻試件SFDW-2高43%；

（2）與SDFW-1 相比，SDFW-2 的承載力降低了30%，表明分體裝配填充墻的剛度較小，達到極限變形時的承載力有明顯降低；

（3）與試件LSFR-4 相比，SDFW-1 和SDFW-2的峰值承載力雖有所降低，但位移角達25%時，帶橡膠阻尼層試件的承載力并未下降，帶橡膠阻尼層整體裝配式填充墻試件SDFW-1 極限變形時的承載力比無橡膠阻尼層試件LSFR-4 高40%左右，帶橡膠阻尼層試件具有穩定的承載力，墻體的損傷亦較輕。

3.4 滯回與延性

實測各試件的滯回曲線見圖11，圖中F為水平荷載，U為加載點水平位移。

圖11 各試件滯回曲線Fig.11 Hysteretic curve of the specimens

由圖11可見：

（1）輕型裝配式框架-地聚物墻體試件滯回曲線飽滿、耗能能力較強、加載點位移角達到1/25時，各試件均具有穩定的承載能力；

（2）與試件LSFR-4 相比，帶橡膠阻尼層試件SFDW-1、SFDW-2 的滯回曲線更為飽滿、達到峰值荷載后，具有較長的水平段，表明其具有延性好、承載力穩定的優勢；但帶橡膠阻尼層試件的承載力有所較低，表明設置橡膠阻尼層后，降低了試件的整體剛度，減小了框架傳遞給地聚物墻的荷載，減輕了地聚物墻的損傷；

（3）與上下兩端設置橡膠阻尼層試件相比，上中下設置橡膠阻尼層試件的剛度和承載力降低明顯，整體耗能能力增長不明顯，但變形能力增強，墻體損傷程度明顯減輕；

（4）加載點位移角達到1/25 時，各試件均具有良好的變形能力和延性，帶橡膠阻尼層試件SDFW-1、SDFW-2 的延性明顯好于不帶橡膠阻尼層試件LSFR-4。

3.5 耗能

滯回環包絡的面積說明了結構耗能能力的大小，取所有滯回環包絡面積的和作為對比用的耗能能量，實測各試件累積耗能值見表2。

表2 試件耗能實測值Table 2 Measured value of the energy dissipation

由表2 可見：與試件LSFR-4 相比，上、下兩端設置橡膠阻尼層試件SDFW-1 的耗能能力提高了15%，而上、中、下部均布設橡膠阻尼層試件SDFW-2 的耗能能力降低了23%，這主要是由于整體墻被阻尼層分成上下兩部分后，墻體的整體剛度降低較多，致使整體結構承載力下降明顯，在相同極限位移時，耗能能力降低明顯。

4 結 論

（1）框架與地聚物墻間采用變形可控弱連接，降低了框架傳底給墻體的荷載，減輕了墻體損傷，充分發揮了輕型裝配式鋼框架變形能力強、延性好的優勢。

（2）整體裝配式地聚物墻與框架間設置橡膠阻尼層，提高了結構的整體延性和耗能能力，但削弱了墻體與框架間的相互約束，整體結構的剛度和承載力均有所降低。

（3）與 LSFR-4 和 SDFW-1 相比，上、中、下部均設置橡膠阻尼層的試件SDFW-2 的承載力、剛度和耗能能力均降低明顯，但達到1/25 位移角時，墻體損傷輕微，可修復性較強。

（4）輕型裝配式鋼管砼框架-耗能減震地聚物墻結構具有良好變形能力和延性，抗震性能良好，可滿足地震區低多層建筑的抗震設防要求。