配筋砌塊短肢砌體剪力墻抗震性能試驗研究

配筋砌塊短肢砌體剪力墻抗震性能試驗研究

0配筋斑塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)體系發(fā)展現(xiàn)狀隨著粘土實用磚的逐漸禁止，如何使用一種新的支撐結(jié)構(gòu)代替粘土實體磚的混合結(jié)構(gòu)已成為新研究的重點。在研究配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合鋼筋混凝土短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的理論,提出了配筋砌塊短肢砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的概念。在國外,配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,使用范圍很廣,如美國早在1952年就采用配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)建成了26棟6～13層美退伍軍人醫(yī)院,而且,在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū),最高的結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了28層。在國內(nèi),配筋砌塊砌體的研究和應(yīng)用相對于國外起步較晚,由于國情和經(jīng)濟政策等原因,各地發(fā)展不平衡。從上個世紀(jì)80年代起,國內(nèi)許多院校和科研單位都開展了這方面的研究工作,四川省建科院、廣西建科院、中國建筑科學(xué)研究院、北京市建筑設(shè)計研究院、同濟大學(xué)、湖南大學(xué)和沈陽建筑工程學(xué)院等單位都對配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究;哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院混凝土結(jié)構(gòu)研究室以唐岱新教授為主的研究課題組,對配筋砌塊砌體結(jié)構(gòu)從材料性能到結(jié)構(gòu)體系抗震,做了很多系統(tǒng)的研究工作,于2001年新修訂的《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003—2001)中寫入了配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法、計算公式和構(gòu)造要求;而且在實踐中也得到了大量的應(yīng)用,國內(nèi)已建成的配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)房屋最高的達(dá)18層本文采用試驗及數(shù)值分析方法對兩片T形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻試件和一榀一字形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻框架試件1面配筋斑塊短姿砌體剪力墻模型試驗以有代表性的短肢墻工程的承重墻片為模型,根據(jù)試驗?zāi)康暮驮囼灄l件,制作兩個T形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻足尺模型,鏡像后,兩試驗?zāi)Ｐ偷某叽缡窍嗤?對兩個墻體模型分別在有翼緣一側(cè)(FS-2)和無翼緣一側(cè)(FS-1)施加低周反復(fù)水平荷載;同時制作一榀一字形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻框架足尺模型,在框架平面內(nèi)施加低周反復(fù)水平荷載。1.1土壤條件試驗采用的砌塊類型有主砌塊390mm×190mm×190mm和輔助砌塊290mm×190mm×190mm、190mm×190mm×190mm,砂漿采用專用砌筑砂漿,芯柱混凝土采用專用灌孔混凝土。三個試件的材料強度及芯柱比率見表1。1.2截面配筋墻體剪力墻框架試件兩個T形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻試件的尺寸及配筋詳見圖1,一榀一字形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻框架試件的尺寸及配筋詳見圖3,三個試件的相關(guān)參數(shù)分別見表2。試驗需測量墻體相對底座的水平位移,三個試件測點布置詳見圖2和圖3。圖中編號1～10的儀器指位移計,表1～12均指機電百分表。2試驗結(jié)果和試驗過程試件用若干地錨螺栓固定在試驗臺面上,豎向荷載由液壓千斤頂施加,豎向反力由自錨系統(tǒng)提供。水平荷載由水平作動器施加。試驗開始后,將由應(yīng)力比、試件截面積和材料強度乘積得到豎向荷載保持恒定。試驗中時時監(jiān)測鋼筋的應(yīng)變,當(dāng)監(jiān)測到鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變時作為試件的名義屈服(以下簡稱屈服)。試件屈服前,用力控制加載等級,取開裂荷載的30%做荷載步,每級增量為60kN,加載至180kN后改為每級增量30kN,每級各循環(huán)一次;試件屈服后,改由位移控制,以屈服位移2.1作動器施加拉力試驗中規(guī)定當(dāng)水平作動器施加拉力時為正向加載,反之,則為負(fù)向加載。2.1.1翼墻外側(cè)水平受彎裂縫試件FS-1(無翼緣側(cè)加載)在負(fù)向第一次加載至85kN時,腹板端部(無翼墻一側(cè))水平灰縫處出現(xiàn)水平受彎裂縫,此批裂縫在隨后的加載過程中發(fā)展并不快,但負(fù)向加載超過120kN后,從第一皮灰縫起,腹板此端面的水平受彎裂縫大量出現(xiàn),并迅速發(fā)展。當(dāng)正向第一次加載至220kN時在翼墻的外側(cè)第一、二皮灰縫處出現(xiàn)水平受彎裂縫,此后裂縫逐漸開展,隨著正向荷載的增加,腹板上出現(xiàn)階梯斜裂縫。當(dāng)正向加載至319kN時,此時的荷載已降至極限荷載的85%,試件宣告破壞。腹板上裂縫詳見圖4。2.1.2水平灰縫處裂縫的發(fā)生試件FS-2(翼緣側(cè)加載)在正向第一次加載至120kN時,腹板端部(無翼墻一側(cè))水平灰縫處出現(xiàn)水平受彎裂縫,發(fā)展形態(tài)同F(xiàn)S-1;負(fù)向第一次加載至260kN時在翼墻外側(cè)水平灰縫處出現(xiàn)水平受彎裂縫,此后隨著水平荷載的增加,水平灰縫處裂縫不斷發(fā)生、發(fā)展。當(dāng)負(fù)向加載至300kN時,腹板端部(無翼墻側(cè))第一皮砌塊被壓碎,砌塊劈裂。應(yīng)變測量表明,受壓區(qū)縱筋屈服,受拉區(qū)豎向鋼筋屈服,此時腹板中水平鋼筋應(yīng)變最大到0.001067,與屈服應(yīng)變0.001984還相差很遠(yuǎn);隨后,腹板側(cè)面的中部出現(xiàn)受剪斜裂縫,由圖5可見,其受剪斜裂縫的發(fā)展比較充分,一直延伸到試件底部,而相反方向的斜裂縫卻很少,這主要是因為負(fù)向水平力大于正向。最終荷載降至極限荷載的85%,宣告試件失效,此時拉區(qū)、壓區(qū)縱筋全部屈服,腹板中水平鋼筋有一根屈服,但翼緣中水平鋼筋應(yīng)變最大值小于0.00002,試件發(fā)生了先彎后剪,但以彎曲為主的破壞。試件上裂縫詳見圖5。2.1.3次加載至200kn為便于說明將試件的各側(cè)面命名如圖6所示。正向第一次加載至210kN時,在墻肢A端面、E端面底皮灰縫處產(chǎn)生第一批水平受彎裂縫,同時,在連梁左端的上表面和右端的下表面產(chǎn)生受彎裂縫;負(fù)向第一次加載至210kN時,在與正向第一次加載至210kN時產(chǎn)生裂縫相對的部位也產(chǎn)生受彎裂縫,這主要是在施加水平荷載時,墻肢底部、連梁根部的彎矩是最大的。隨著荷載的增加,水平受彎裂縫不斷發(fā)生、發(fā)展,并在墻肢底部有少量的階梯裂縫產(chǎn)生。當(dāng)負(fù)向第二次加載至300kN時,右墻肢右側(cè)兩孔中的豎向鋼筋屈服,當(dāng)正向第一次加載至270kN時,連梁左端底部縱筋屈服,墻肢縱筋仍未屈服,這時連梁的受彎裂縫發(fā)展已比較充分;當(dāng)正向加載至試件S-1的C、D、G、H面的裂縫分布詳見圖7～10所示。由圖11～12可見,連梁左右兩端根部裂縫大致對稱,出現(xiàn)了45°受剪斜裂縫,與受彎裂縫相通,直達(dá)連梁上、下頂面;而且墻肢受拉區(qū)和受壓區(qū)的豎向鋼筋均屈服,連梁上、下部縱筋也相繼達(dá)到屈服,可見材料強度都發(fā)揮得比較充分。2.22.2.1水平鋼筋應(yīng)變隨試驗檢驗從試驗現(xiàn)象上看,試件FS-1、S-1發(fā)生的是延性彎曲破壞,S-1的連梁兩端形成塑性鉸,其破壞特征同彎曲破壞的鋼筋混凝土短肢剪力墻類似(1)加荷時,隨著水平荷載增加,試件在腹板端部灰縫截面處出現(xiàn)水平受彎裂縫,裂縫不斷向受壓區(qū)擴展,表現(xiàn)出明顯的受彎裂縫特征,這主要是因為墻肢內(nèi)水平鋼筋配筋率較大。試件設(shè)計實現(xiàn)了強剪弱彎,到試驗結(jié)束,受拉區(qū)豎向鋼筋早已屈服,而水平鋼筋應(yīng)變很小,如試件FS-1中腹板水平鋼筋應(yīng)變最大的僅達(dá)到0.000399,翼緣中水平鋼筋最大值小于0.000020;再如試件S-1中水平鋼筋最大應(yīng)變剛達(dá)到0.000405。(2)破壞主裂縫出現(xiàn)在試件最底部的水平灰縫內(nèi),破壞時,部分水平裂縫已連通。(3)由圖13～圖14可見,兩試件芯柱混凝土的裂縫形態(tài)和砌塊外表面的裂縫形態(tài)基本一致,說明砌塊砌體與灌孔混凝土之間能夠很好地共同工作,受壓時兩者變形能夠互相協(xié)調(diào),計算時可按灌孔砌體統(tǒng)一考慮。(4)破壞時,墻片上水平受彎裂縫與豎向灰縫位置處的裂縫連通,形成階梯裂縫。(5)試驗中試件S-1連梁根部形成塑性鉸,使結(jié)構(gòu)形成良好的整體耗能機制。(6)分析應(yīng)變數(shù)據(jù),試件達(dá)到極限狀態(tài)時,《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003—2001)中規(guī)定受拉分布筋在(2.2.2受拉受力分析試件FS-2發(fā)生的是先彎后剪的破壞,但以彎曲破壞為主,其破壞特征與鋼筋混凝土剪力墻有相似之處,又有自己的特點:(1)加荷時,首先在試件腹板端部灰縫處產(chǎn)生水平受彎裂縫,隨著荷載增加,水平受彎裂縫不斷向受壓區(qū)發(fā)展,并不斷有新的水平受彎裂縫生成,在豎向鋼筋受拉屈服后,陸續(xù)產(chǎn)生了受剪斜裂縫,當(dāng)臨近破壞時,腹板中部分水平鋼筋達(dá)到屈服,翼緣水平鋼筋應(yīng)變最大值小于0.000020,且水平受彎裂縫和受剪斜裂縫已斷斷續(xù)續(xù)地連通起來。(2)破壞時,壓區(qū)砌塊砌體和灌孔混凝土變形能夠協(xié)調(diào),所出現(xiàn)的裂縫形態(tài)內(nèi)外相同。(3)分析應(yīng)變數(shù)據(jù),試件達(dá)到極限狀態(tài)時,《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50003—2001)中規(guī)定受拉分布筋在(試件FS-2雖然與試件FS-1從材料強度方面相差不多,二者破壞形式應(yīng)是非常接近,但是,由于試件FS-2部分孔洞灌孔不密實,導(dǎo)致其水平受剪截面積變小,使其受剪承載力也隨之降低。這就在同樣的水平荷載作用下,試件FS-2砌塊過早的達(dá)到了其受剪強度而形成斜裂縫,開裂后,應(yīng)力重分布,大部分的剪力都轉(zhuǎn)移給了水平鋼筋。破壞時,腹板無翼緣端部砌塊及芯柱混凝土均劈裂,有效受剪截面進(jìn)一步減小,這更加速了水平鋼筋的屈服。3試驗結(jié)果的分析3.1配筋混凝土短筋墻體節(jié)點下正截面斷裂線分析低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線可以反映結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和耗能能力。試件FS-1、FS-2和S-1的滯回曲線如圖15～17所示,圖18、19為鄭州大學(xué)所做的鋼筋混凝土短肢剪力墻試驗(1)墻體開裂前,墻體的位移反應(yīng)很小,滯回面積較小,滯回環(huán)基本重合,滯回曲線接近直線,構(gòu)件的剛度為定值,表明構(gòu)件處于彈性受力狀態(tài)。(2)隨荷載增加墻體底部出現(xiàn)裂縫,此時滯回環(huán)面積加大,荷載回零時,位移卻回不到零,表明試件已進(jìn)入了非線性工作階段,這種非線性主要是由于裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展以及鋼筋的屈服形成的,此時,鋼筋達(dá)到屈服。(3)對比配筋砌塊短肢砌體剪力墻試件與鄭州大學(xué)鋼筋混凝土短肢剪力墻試件可以看出,前者的滯回曲線要比后者飽滿,前者的屈服臺階數(shù)要比后者多。(4)從圖15～17中可見,試件正負(fù)加載方向剛度并不對稱,FS-1和FS-2主要是由于試件截面尺寸及配筋不對稱所致;S-1主要是由于扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象所致。此外,試驗在連梁一端加載,施加推力和拉力時連梁軸向變形不同的影響也會導(dǎo)致兩個方向滯回曲線不對稱。(5)由圖15、16有翼緣試件試驗的滯回曲線與圖17無翼緣試件滯回曲線相比,可以看出,有翼緣試件的滯回曲線屈服臺階數(shù)較多,屈服平臺較長,滯回環(huán)較為飽滿。3.2配筋混凝土短控制件骨架曲線第一次加載曲線與其后的滯回曲線各滯回環(huán)峰值點連線構(gòu)成的外包線,即骨架曲線。三個試件的骨架曲線如圖20～22所示,圖23、24為鄭州大學(xué)所做鋼筋混凝土短肢剪力墻試驗對比配筋砌塊短肢砌體剪力墻與鋼筋混凝土短肢剪力墻骨架曲線可以看出,前者有明顯的屈服段,且屈服臺階較長。3.3配筋斑塊短致砌體剪力墻從骨架曲線上,我們可以求得三個配筋砌塊短肢砌體剪力墻試件的力學(xué)特征參數(shù),如表3所示。力學(xué)特征參數(shù)主要包括:屈服荷載5配筋混凝土一般性能通過兩片T形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻試件和一榀一字形截面配筋砌塊短肢砌體剪力墻框架試件的低周反復(fù)荷載試驗,對試驗現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行綜合分析,可以得到以下結(jié)論:(1)三個試件在豎向荷載和水平地震作用下呈壓彎破壞或彎剪破壞特征,受拉和受壓鋼筋均能達(dá)到屈服,同時灌芯砌體達(dá)到抗壓強度極限值,整個結(jié)構(gòu)有著良好的延性和整體性。(2)從試驗過程和破壞現(xiàn)象可知配筋砌塊短肢砌體剪力墻構(gòu)件具有很好的抗震性能,其破壞特征、變形能力及耗能能力等均與鋼筋混凝