不同框格形式密肋复合墙体抗震性能对比分析

成晓峰,姚谦峰,黄 炜,侯莉娜

(西安建筑科技大学 土木工程学院,陕西 西安710055)

0 引 言

密肋复合墙结构是一种轻质、高强、节能、抗震的建筑结构新体系,此种结构的复合墙板是以截面及配筋较小的钢筋混凝土为肋格,内嵌以炉渣、粉煤灰等工业废料为主要原料的加气硅酸盐砌块(或其它具有一定强度的轻质骨料)预制而成的。

一方面,墙板中砌块与肋格共同工作,砌块受到肋格的约束,加强肋又受到块体的反约束,两者相互作用、共同受力,充分发挥各自性能;另一方面,墙板与隐形框架整浇为一体,形成具有共同工作性能的增强复合墙体[1]。其主要优点为施工工艺简单、速度快、便于工厂装配式制作。

影响密肋复合墙体抗震性能的因素很多,其中墙板中的框格形式对密肋复合墙体的承载力、延性、耗能能力、破坏模式、及变形能力会产生较明显的影响。本文结合课题组前期的试验,通过分析不同框格形式的密肋复合墙体各个抗震性能指标以及破坏模式,得出框格对密肋复合墙体抗震性能的影响。

1 试验简介

1.1 试件的设计与制作

本次试验共选试件14块,为研究框格形式对密肋复合墙体的抗震性能的影响,本文着重分析五肋柱密肋复合墙体、标准密肋复合墙体及三肋柱密肋复合墙体,如图1,表1所示。为了对比各个不同框格形式的密肋复合墙体抗震性能,本次试验中各个试件模型缩尺比例为1/2,墙体尺寸及轴压比选取均相同。即在相同尺寸墙体耗材基本相同的前提下,改变控制因素,研究其对墙体受力和各项抗震性能的影响。

图1 变框格墙板示意图

1.2 加载设备及加载制度

1.2.1 试验装置及设备

试验装置及设备如图2所示。

利用安装在反力墙上的液压伺服作动器在墙体顶部施加水平荷载;竖向荷载通过千斤顶加载在分配梁上,经过二次分配后,加载于墙体顶部暗梁上;为防止墙体发生平面外失稳,在墙体两侧设置侧向支撑。

图2 试验加载装置图

表1 密肋复合墙体试件的设计

1.2.2 加载制度

本次试验采取低周反复加载方案,竖载通过千斤顶加在分配梁上,经二次分配后加在肋柱上;竖向稳定后加水平荷载,水平荷载通过反力墙,借助液压作动器对墙体顶部施加,水平荷载每级20 kN,每级循环一次,试件屈服后,以相同位移循环一次,此后用位移控制,每级循环三次直至破坏。

密肋复合墙体在水平与竖向荷载的共同作用下,始终处于弯、剪、压复合受力状态,加之材料复杂性与砌块、框格及外框的相互嵌套较为复杂,从而引起墙体的破坏形式也较为复杂。本文通过试验现象研究,将墙体的破坏模式分为剪切型破坏和弯曲型破坏。

2.1 剪切型破坏[2]

经试验观察发现:SW6与SW5在破坏过程比较相近,现用SW6加以说明。SW6破坏过程中弹性阶段、弹塑性阶段与破坏阶段各个阶段表现较为明显,其破坏过程各个阶段的试验现象如图3所示。

图3 SW6破坏过程图

在弹性阶段,墙板中砌块出现少数微裂缝,肋梁、肋柱中无裂缝出现。此时墙体作为一个整体受力构件,复合墙板与外框变形协调,其力学性能可视为一种复合材料等效弹性板。弹塑性阶段,砌块中微裂缝发展加宽,随着荷载增加,裂缝呈45°不断延伸至肋梁、肋柱当中,砌块中出现较多交叉裂缝。此时可把框格中的砌块等效为斜压杆。破坏阶段,砌块破坏非常严重,墙体最终退化成仅由肋格和外框组成的纯框架,此时的墙体作为密肋复合墙结构的主要抗侧受力构件已经失效,但仍可以承担全部的竖向荷载,具有良好的抗倒塌能力。最后随着受压侧边框柱混凝土压碎,受拉侧钢筋拉断,此时试验结束。

2.2 弯曲型破坏[3]

SW12在破坏过程中其弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段区分并不明显。

弹性阶段,墙板与外框变形协调,作为整体进行受力,内砌块与框格中剪切斜裂缝分布均匀且细小;弹塑性阶段和破坏阶段区别并不明显,继续加载时,砌块中的裂缝延伸至肋梁、肋柱当中。墙体中肋梁、肋柱和连接柱中钢筋没有屈服,而受拉边框柱上水平裂缝分布均匀,基本贯穿整个截面。墙体的破坏以外框柱的拉压破坏为主,表现为受拉边框柱纵筋达到屈服,受压边框柱脚混凝土压碎、钢筋屈服[4]。表明墙体的边框柱主要承担弯矩作用。

2.3 破坏模式的对比分析

(1)由于墙体SW5、SW6中的墙板与外框刚度之比相对较小,在水平荷载作用下,破坏过程按照“砌块-肋梁、肋柱-外框柱”的顺序依次发挥主导作用,这样相当墙体具有多道抗震防线[5],属于有利的“强柱弱板”型剪切破坏。

(2)由于墙体SW12中的墙板与外框刚度之比相对较大,在水平荷载作用下,墙板几乎不发生明显破坏,而外框柱先于墙板在柱脚处无征兆地发生拉压破坏,外框柱底受拉区钢筋屈服直至破坏,同时,外框柱底受压区混凝土出现部分压碎现象;最后在墙体底部锚接处形成一条沿墙底方向的剪切薄弱面,反复荷载的作用下,墙体底部的水平抗剪面积越来越小,剪切摩擦条件不断恶化,最终沿这个水平面出现大量滑移而破坏。属于不利的弯曲型破坏见图4。

图4 弯曲型破坏示意图

3 密肋复合墙体抗震性能对比分析

3.1 滞回性能及骨架曲线

通过三个墙体的滞回曲线(见图5)可以发现:

(1)SW5与SW6滞回曲线较为接近;弹性阶段时,荷载与位移呈线性关系,荷载继续增大,进入弹塑性阶段,滞回曲线渐渐呈梭形,滞回环的面积也增大,水平荷载到达屈服荷载时,位移增大速度很快,滞回环面积更加饱满;最后水平荷载达到最大荷载时,边框柱钢筋被拉断,刚度衰减速度较快,墙体破坏较快。

图5 密肋复合墙体的滞回曲线

(2)SW12处于弹性阶段时,荷载与位移呈线性关系;当荷载加至开裂荷载时,荷载—位移曲线开始向下弯折;随着荷载不断增加,裂缝逐渐增多,刚度略有下降;水平荷载加至最大荷载时,刚度退化现象明显,试件塑性变形显著,滞回环面积不断增大;当以位移控制循环时,承载力衰减很快,刚度退化明显,滞回环面积增加不多,说明外框架柱底纵筋屈服后墙体的耗能能力较差;最后,墙体因底部沿剪切薄弱面出现大量滑移而破坏。整个加载—卸载过程,构件的承载力、变形、延性、耗能能力均低于SW5和SW6,破坏后期稳定性较差[6]。

将滞回曲线各加载等级第一循环的峰值点所连成的包络线按照绝对值取平均的原则在第一象限迭加所得到的曲线,即为骨架曲线(图6)。

从各个密肋复合墙体的骨架曲线可知:

(1)密肋复合墙体均经历弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。

(2)密肋复合墙体SW12较密肋复合墙体SW6和SW5后期承载力下降速度更陡,破坏较为突然,即SW12为弯曲型破坏。

图6 三个密肋复合墙体的骨架曲线

3.2 承载力、延性及变形能力

试件的主要抗震性能指标[7]如表2所示。①墙体极限承载力,以试验中实测值为准,并取正反两个加载方向上极限荷载绝对值的平均值。②延性,以位移延性系数[8]衡量,指构件超过弹性变形后的变形能力。设Δy为结构的屈服位移,Δw为结构的极限位移,则结构的位移延性系数为:μ=Δu/Δy。③变形性能,用极限屈服位移角θ衡量,它是结构的有效水平位移Δu与试件高度h的比值。它也是抗震性能的一个重要指标。

表2 密肋复合墙体主要抗震性能指标

通过表2,可得到如下规律:

(1)若墙体发生的是剪切型破坏,则肋柱数量多的墙体的承载力大于肋柱数量少的墙体,延性则相反,肋柱数量少的墙体的延性及变形能力大于肋柱多的墙体。

(2)发生弯曲型破坏的密肋复合墙体的承载力、延性及变形能力均小于发生剪切型破坏的密肋复合墙体。

3.3 耗能能力

等效粘滞阻尼系数[9]是判断结构耗能能力大小的一个重要标志,阻尼系数越大,则试件的耗能能力越好。

表3 墙体在不同阶段的等效粘滞阻尼系数he(%)

表3给出了各个墙体在不同阶段的等效粘滞阻尼系数。可以看出:

(1)随着水平荷载的增加,墙体的等效粘滞阻尼系数不断增大,但增大率逐步减小。

(2)框格的分布形式影响墙体等效粘滞阻尼系数;由于SW12为5道肋柱,墙体抗侧刚度较大,外框先于墙板破坏[10],即墙板几乎没有起到耗能作用,故耗能能力较弱,而SW5、SW6均发生剪切型破坏,砌块、墙板、外框依次发生破坏,即三者均参与耗能,相比较SW12而言,SW5、SW6耗能能力较强。由此说明,刚度大的墙体耗能能力较弱。

4 结 论

(1)不同框格形式的密肋复合墙体在低周反复试验中可能会导致不同的破坏模式,墙板与外框的刚度比是非常重要的影响因素,在设计与制作墙体时,若墙板肋柱数量设置过多,使其与外框的刚度比过大,则形成“强板弱柱”式的墙体,较快时间内从外框破坏,形成不利的弯曲型或弯曲型破坏模式。若肋柱数量设置适中或较少,则形成“强柱弱板”式的墙体,砌块、框格、外框依次发生破坏,形成有利的剪切型破坏模式。

(2)若墙体均发生剪切破坏,肋柱数量较多的墙体承载力较大,而延性、变形能力及耗能能力较小。

(3)发生剪切型破坏的墙体的承载力、延性、变形能力及耗能能力均大于发生弯曲型破坏的墙体。

[1]姚谦峰,陈平,等.密肋壁板轻框结构节能住宅体系研究[J].工业建筑,2003,33(1):1-5.

[2]黄炜,姚谦峰,章宇明,等.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究[J].西安建筑科技大学学报,2005,37(1):29-34.

[3]黄炜,姚谦峰,等.加外框密肋复合墙板抗震性能研究[J].工业建筑,2003,33(1),7-9.

[4]姚谦峰,吴芳,等.密肋复合双片墙体的受力性能研究[J].工业建筑,2008,38(1):31-35.

[5]黄炜,陈国新,姚谦峰.密肋复合墙体在拟动力试验下的抗震性能研究[J].振动与冲击,2007,26(3):49-54.

[6]姚谦峰,陈平.土木工程结构试验[M].中国建筑工业出版社,2001.

[7]姚谦峰,黄炜,田 杰.密肋复合墙体受力机理及抗震性能试验研究[J].建筑结构学报,2004,25(6):67-74.

[8]田英侠.密肋复合墙板受力性能试验研究与理论分析[D].西安:西安建筑科技大学,2002:25-32.

[9]Xiangdong Tong,Jerome F.Hajjar,Arturo E.Schultz and Carol K.Shield.Cyclic behavior of steel frame structures with composite reinforced concrete infill walls and partially-restrained connections[J].Journal of Constructional Steel Research,2005,1(4):531-552.

[10]黄 炜.密肋复合墙体抗震性能及设计理论研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004:16-35.