裝配式密肋復(fù)合墻板抗震性能試驗(yàn)研究
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
馬榮全1,2，范新海1，黃 宙3
（1．中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海200000；2．同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092：
3．大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧大連 116024）
[摘要]密肋復(fù)合墻體是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、節(jié)能、抗震性能優(yōu)異的新型結(jié)構(gòu)墻板。在裝配式密肋復(fù)合墻板低周反復(fù)加載試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，介紹了密肋復(fù)合墻板的破壞形態(tài)和裂縫發(fā)育，揭示其傳力機(jī)理及變形規(guī)律；并對(duì)不同軸壓比下密肋復(fù)合墻板的承載能力、剛度、變形、延性、耗能等抗震性能進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明：填充砌塊在加載過(guò)程中的破壞，形成耗能機(jī)制。密肋柱柱頂出現(xiàn)塑性鉸區(qū)，發(fā)生“強(qiáng)梁弱柱”型破壞。砌塊、墻板、外框依次發(fā)生破壞，形成有利的剪切型破壞模式。極限荷載之前，密肋復(fù)合墻板耗能能力受軸壓比大小的影響較小。而極限荷載之后，軸壓比0. 35的墻板具有更好的耗能能力，極限位移和延性系數(shù)也較大，具有更好的變形性能和延性。
[關(guān)鍵詞]裝配式；密肋復(fù)合墻板；抗震性能；低周反復(fù)試驗(yàn)；軸壓比；滯回性能；骨架曲線；耗能能力
[中圖分類號(hào)]TU311.3 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)04-0005_05
O 引言
密肋復(fù)合墻作為一種裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系中的構(gòu)件，以截面及配筋較小的鋼筋混凝土框格為骨架，內(nèi)嵌以爐渣、粉煤灰等工業(yè)廢料為主要原料的加氣硅酸鹽砌塊（或其他具有一定強(qiáng)度的輕質(zhì)骨料）預(yù)制而成。它將力學(xué)性能相差懸殊的兩種材料（輕質(zhì)砌塊、鋼筋混凝土）通過(guò)合理構(gòu)造措施組合成一種強(qiáng)度較高、抗震性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件。一方面，墻板中砌塊與肋格共同工作，砌塊受到肋格約束，加強(qiáng)肋又受到砌塊的反約束，兩者相互作用、共同受力，充分發(fā)揮各自性能；另一方面，密肋復(fù)合墻板又與隱形框架整澆為一體，形成具有共同工作性能的增強(qiáng)復(fù)合墻體。其主要優(yōu)點(diǎn)為施工工藝簡(jiǎn)單、速度快、便于工廠裝配式制作。
本文通過(guò)低周反復(fù)加載試驗(yàn)，介紹了密肋復(fù)合墻板的承載力、剛度、變形、延性、耗能，并對(duì)不同軸壓比下裝配式密肋復(fù)合墻板的抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出了有意義的結(jié)論，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。
1試驗(yàn)概況
1.1 試件設(shè)計(jì)與制作
設(shè)計(jì)足尺比例密肋復(fù)合墻板共2片，試件尺寸及配筋如圖1所示
此墻體為預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，將墻板與地梁通過(guò)預(yù)埋灌漿套筒及插筋方式進(jìn)行連接，并留置灌漿料試塊、制作灌漿套筒拉拔試件。
試件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，測(cè)得混凝土試塊立方體抗壓強(qiáng)度平均值為35. 0MPa。鋼筋牌號(hào)為HRB400級(jí)。為確保灌漿套筒滿足鋼筋錨固要求，試驗(yàn)進(jìn)行前，選取2組6個(gè)灌漿套筒試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，均為鋼筋屈服破壞，未見(jiàn)鋼筋從套筒內(nèi)拔出，屈服荷載約為125. 0kN。
1.2 加載裝置和加載制度
本試驗(yàn)為擬靜力試驗(yàn)，用一定的荷載控制和位移控制對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗(yàn)。利用安裝在反力墻上的液壓伺服作動(dòng)器在墻體頂部施加水平荷載，豎向荷載通過(guò)千斤頂加載在頂梁上，經(jīng)過(guò)頂梁分配后，加載于密肋復(fù)合墻板上。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。
本文研究不同軸壓比下密肋復(fù)合墻板抗震性能，設(shè)計(jì)軸壓比肛分別為0. 35，0.70，故千斤頂施加軸力大小分別為700，1400kN（分別對(duì)應(yīng)密肋復(fù)合墻板MLQ700和MLQ1400）。試驗(yàn)開始時(shí)，取軸力的40%～60%豎向重復(fù)加載2~3次，以消除試件內(nèi)部組織不均勻性，再繼續(xù)加載至目標(biāo)值，并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持軸力大小不變。水平荷載通過(guò)反力墻，借助液壓作動(dòng)器對(duì)墻體頂部施加水平往復(fù)力。試驗(yàn)前用ABAQUS模擬出墻板的屈服位移約為10mm，采用擬靜力位移控制加載，第1個(gè)循環(huán)以5mm為位移增量，循環(huán)1次；之后以10mm為位移增量，每個(gè)幅值循環(huán)2次。直至試件破壞至無(wú)法繼續(xù)加載或荷載下降至最大荷載的80%左右停止加載。
2 密肋復(fù)合墻板破壞過(guò)程及機(jī)理
2.1 墻板破壞過(guò)程分析
MLQ700試件破壞過(guò)程如下。
1)位移加載至10mm，填充砌塊中出現(xiàn)少量微小斜裂縫，肋梁、肋柱中無(wú)裂縫出現(xiàn)。此時(shí)墻板作為一個(gè)整體受力構(gòu)件，砌塊與框格變形協(xié)調(diào)，其力學(xué)性能可視為一種復(fù)合材料等效彈性板。
2)位移加載至20mm，肋梁梁端開始出現(xiàn)豎向裂縫。
3)位移加載至30mm，填充砌塊中微裂縫發(fā)展加寬，隨著荷載增加，裂縫呈45。角不斷延伸至肋梁、肋柱當(dāng)中，砌塊中出現(xiàn)較多交叉裂縫。此時(shí)可把框格中的砌塊等效為斜壓桿。
4)位移加載至40mm，框格、填充砌塊出現(xiàn)大量斜截面裂縫。
5)位移加載至50mm，裂縫加寬加大，填充砌塊外表開裂，出現(xiàn)掉落趨勢(shì)，左右兩側(cè)框架柱第3層出現(xiàn)明顯的斜截面破壞，外表剝落，底部并沒(méi)有明顯大裂縫。此時(shí)墻體退化成僅由肋格和外框組成的純框架，墻體作為密肋復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)受力構(gòu)件已經(jīng)失效，但仍可以承擔(dān)全部的豎向荷載，具有良好的抗倒塌能力。
6)位移加載至60mm，左右柱頂完全出現(xiàn)斜截面破壞，大塊混凝土崩裂和脫落，填充砌塊出現(xiàn)斜裂縫被壓碎，保護(hù)層掉落，砌塊完全暴露出來(lái)，頂端梁柱節(jié)點(diǎn)脫離連接，試驗(yàn)結(jié)束。墻板最終破壞狀態(tài)如圖3所示。
MLQ1400試件破壞過(guò)程與MLQ700大體類似，都發(fā)生剪切型破壞，不再詳述。由于軸壓比增大0. 70—1倍，所以當(dāng)位移加載至50mm時(shí)，MLQ1400已經(jīng)完全破壞退出試驗(yàn)。
2.2 墻板破壞機(jī)理研究
密肋復(fù)合墻板MLQ700和MLQ1400底梁和框架1、2層基本未出現(xiàn)大范圍破壞。填充砌塊從1層，2層到3層破壞越來(lái)越嚴(yán)重。1層有輕微裂縫，保護(hù)層剝落；2層裂縫明顯，砌塊破碎；3層填充砌塊完全壓碎并往下掉落。左右柱往兩側(cè)擴(kuò)張，到最頂端時(shí)已經(jīng)脫離梁的連接，梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土脫落，受拉縱筋屈服，整體性從下往上呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。
結(jié)果表明，填充砌塊在加載早期即出現(xiàn)斜向裂縫，并在加載過(guò)程中持續(xù)破壞，形成耗能機(jī)制。同時(shí)，密肋柱柱頂出現(xiàn)塑性鉸區(qū)，與實(shí)際設(shè)計(jì)情況不符，分析其原因，可能是由于構(gòu)件頂部肋梁梁高為400mm，剛度大于肋柱剛度，因此在柱頭區(qū)域發(fā)生“強(qiáng)梁弱柱”型破壞；對(duì)于柱腳灌漿套筒區(qū)域，未見(jiàn)明顯破壞，驗(yàn)證了灌漿套筒用于裝配式密肋復(fù)合墻板連接的可靠性。
3密肋復(fù)合墻板抗震性能對(duì)比分析
3.1滯回性能及骨架曲線
構(gòu)件在水平荷載下的滯回曲線形狀是其抗震性能的一個(gè)綜合表現(xiàn)，滯回曲線越豐滿，表明構(gòu)件消耗地震能量的能力越強(qiáng)，抗震性能越好。MLQ700和MLQ1400的滯回曲線如圖4所示。
可以發(fā)現(xiàn)，試件MLQ700和MLQ1400的滯回曲線較為接近，試件開裂前基本處于彈性階段，荷載與位移呈線性關(guān)系；在試件開裂后至屈服前，滯回曲線所包的面積較小，滯回環(huán)狹窄細(xì)長(zhǎng)，整體剛度變化不大，殘余變形較小，耗能較少；試件屈服以后，進(jìn)入彈塑性階段，滯回曲線漸漸呈梭形，滯回環(huán)面積逐漸增大，耗能逐漸增加；水平荷載加至最大荷載時(shí)，邊框頂端梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土壓碎，剛度衰減速度較快，試件塑性變形顯著，滯回環(huán)面積不斷增大，墻體破壞明顯。繼續(xù)加載，承載力衰減很快，剛度退化明顯，滯回環(huán)面積增加不多，說(shuō)明外框架柱頂縱筋屈服后墻體的耗能能力較差，在同一級(jí)位移控制下，后一次循環(huán)的承載力和剛度比第1次略有降低。由于初始加載的方向性和墻體頂部豎向荷載的偏心彎矩作用，以及試驗(yàn)加載時(shí)作動(dòng)器的位移與墻體頂部實(shí)測(cè)位移之間的差異，滯回曲線呈不對(duì)稱分布。
骨架曲線即滯回曲線的外包絡(luò)線，將同方向（拉或壓）加載的荷載一位移曲線中，超過(guò)前一次加載最大荷載的區(qū)段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線。圖5給出了試件的骨架曲線。
從密肋復(fù)合墻板的骨架曲線可知：
1)密肋復(fù)合墻板均經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。
2)在屈服點(diǎn)以前，MLQ700與MLQ1400的骨架曲線基本重合，此階段兩者受力性能相差不大，均滿足彈性復(fù)合板模型；開裂之后的彈塑性階段，砌塊的作用滿足斜壓桿受力原理。
3)屈服點(diǎn)之后，MLQ1400較MLQ700更快達(dá)到極限荷載，并進(jìn)入荷載下降段。
4)極限荷載后，試件MLQ1400由于較大的軸壓力，砌塊迅速沿對(duì)角線開裂并退出工作，此時(shí)墻板退化成由肋格和外框組成的框架結(jié)構(gòu)，其承載力較MLQ700大大降低，剛度退化較快，破壞較為突然。
延性用位移延性系數(shù)衡量，指構(gòu)件超過(guò)彈性變形后的變形能力。設(shè)△y為結(jié)構(gòu)的屈服位移，△u為結(jié)構(gòu)的極限位移，則結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)為：
將極限位移定義為試件承載力下降到最大荷載的80%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移。由骨架曲線得到試件屈服荷載、最大荷載、極限荷載和對(duì)應(yīng)位移以及延性系數(shù)如表1所示。
MLQ700延性系數(shù)相比MLQ1400略有提高。說(shuō)明在軸壓比0. 35時(shí)，此密肋復(fù)合墻板延性更好，且滿足混凝土抗震結(jié)構(gòu)對(duì)位移延性系數(shù)為3.0~4.0的要求。且MLQ700極限位移大于MLQ1400，具有更好的變形性能。
3.2剛度退化
采用平均割線剛度K i表示，公式如下：
式中：+Pi，-Pi為在某一幅值循環(huán)往復(fù)第i次時(shí)，正、反向最大荷載值；+△i，-△i是與其相對(duì)應(yīng)的位移；i是循環(huán)的次數(shù)。剛度退化曲線如圖6所示。
由圖6可知，MLQ700和MLQ1400復(fù)合墻板的剛度退化速度差別不大，均呈現(xiàn)退化初期剛度衰減較快，隨著位移增大而減小，最后趨于平緩的趨勢(shì)，剩余剛度約為初始剛度的50/0~10%。
MLQ1400在達(dá)到最大荷載Pm之前，剛度退化曲線與MLQ700基本一致。最大荷載Pm之后，MLQ1400剛度退化較MLQ700迅速，主要是因?yàn)?倍的軸壓力使MLQ1400試件的填充砌塊迅速沿對(duì)角線開裂并退出工作，墻板提前退化成由肋格和外框組成的框架結(jié)構(gòu)，因此剛度退化較快。
3.3耗能能力分析
構(gòu)件耗能能力評(píng)價(jià)指標(biāo)有功比指數(shù)、等效黏滯阻尼系數(shù)、滯回環(huán)面積等，均是對(duì)滯回曲線采用不同算法而得到。本文采用荷載一位移滯回曲線所包圍的面積對(duì)構(gòu)件耗能能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖7給出了兩試件耗能能力隨位移的變化關(guān)系。
由圖7可知，從初始到最大荷載Pm之間，兩種墻板耗能能力遞增且增加速率較快。最大荷載Pm到極限荷載之間，耗能能力增加但增加的速率降低。極限荷載之后，MLQ700耗能能力進(jìn)一步遞增，且遞增速率較大；由于MLQ1400提前進(jìn)入破壞，此時(shí)耗能能力增加緩慢，說(shuō)明MLQ700在極限荷載之后，具有更好的耗能和變形能力。
從初始到極限階段兩種墻板耗能能力相差不大，表明密肋復(fù)合墻板耗能能力在此階段受軸壓比大小的影響較小，其原因在于：墻板主要通過(guò)填充砌塊的開裂破壞及砌塊與砌塊、砌塊與框格單元之間的摩擦消耗能量，而從試驗(yàn)破壞過(guò)程來(lái)看，兩片墻板的破壞特點(diǎn)與破壞程度相似，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象相符較好。
4結(jié)語(yǔ)
1)填充砌塊在加載過(guò)程中的破壞，形成耗能機(jī)制。同時(shí)，密肋柱柱頂出現(xiàn)塑性鉸區(qū)，發(fā)生“強(qiáng)梁弱柱”型破壞。砌塊、框格、外框依次破壞，形成有利的剪切型破壞模式。柱腳灌漿套筒區(qū)域，未見(jiàn)明顯破壞，驗(yàn)證了灌漿套筒用于裝配式密肋復(fù)合墻板連接的可靠性。
2)密肋復(fù)合墻板均經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。屈服點(diǎn)之前兩種墻板骨架曲線基本重合，受力性能相差不大。較大軸壓比的MLQ1400在屈服點(diǎn)之后更快達(dá)到極限荷載，并進(jìn)入荷載下降段．極限荷載之后，其承載力大大降低，剛度退化較快，破壞較為突然。
3)最大荷載Pm之前，兩種墻板剛度退化曲線基本一致。最大荷載Pm之后，MLQ1400剛度退化較迅速，主要是因?yàn)?倍的軸壓力使填充砌塊迅速沿對(duì)角線開裂并退出工作，墻板提前退化成由肋格和外框組成的框架結(jié)構(gòu)，因此剛度退化較快。
4)初始到極限階段兩種墻板耗能能力相差不大，表明密肋復(fù)合墻板耗能能力在此階段受軸壓比大小的影響較小。而極限荷載之后，MLQ700具有更好的耗能能力，且極限位移和延性系數(shù)都大于MLQ1400，說(shuō)明軸壓比0.35時(shí)，密肋復(fù)合墻板具有更好的變形性能和延性。
