密肋复合墙板框格与填充材料相互作用机理试验研究

2015-04-13杨建宁

中国建筑科学 2014年12期

摘要：框格单元是构成密肋复合墙板的最基本构件，在框格单元中，框格与填充材料的相互作用对复合墙板的整体力学性能具有重要意义。本文针对密肋复合墙板框格与填充材料的相互作用问题进行了试验研究，给出了荷载位移曲线，并给出了试验分析。试验分析结论表明砌块对整体构件承载能力的提高作用明显。

关键词：框格；填充材料；试验；荷载位移曲线

1.前言

密肋壁板结构作为一种新型建筑结构体系，有着良好的应用前景[1]。它是由预制的密肋复合墙板、现浇的隐形框架和楼板组合而成的一种新型结构体系，其结构构造如图1[1]所示。构成密肋壁板结构的重要受力构件是密肋复合墙板，如图2[2]所示，它是在混凝土框格中内嵌轻质填充材料后形成框格单元后，在框格单元周围二次浇筑肋梁、肋柱后整体预制而成[3]。框格和填充材料组成的框格单元是密肋复合墙板的最基本构件。在框格与填充材料之间存在着彼此的相互作用[4]，这种相互作用对于研究复合墙板的整体力学性能有着重要的意义。

在已有的研究工作中，针对密肋复合墙板进行了整体试验研究，但对于框格单元内部的受力机理和相关因素并未给出试验研究方案和试验结论，因此对于框格与填充材料之间的相互作用机理试验[5]研究意义十分明显。

2.试验研究

2.1试件设计

试验的试件是将密肋复合墙板的框格基本单元，按照相似关系以1/2比例缩小设计。试件分为4个系列，编号依次为FD，IFD-1，IFD-2，IFD-3。FD为空框格试件，框格试件设计截面高度分别为70，50，40mm。IFD-1、IFD-2、IFD-3分别为将聚丙烯纤维珍珠岩、普通珍珠岩、加气混凝土作为填充材料的整体现浇试件，钢筋及混凝土的基本力学性能指标见表1，填充材料的基本力学性能指标见表2。在IFD系列试件中，还考虑到砌块与框格相对尺寸变化对复合墙板的影响，填充块统一采用400×400mm的正方形预制块，依次分别设计截面高度为80，70，60，50，40mm。

IFD类型试件的制作流程为：①预制砌块②绑扎钢筋骨架③放置砌块④钢筋就位⑤支模板⑥浇筑混凝土，FD类型试件的制作流程省去制作砌块和放置砌块的工序。

2.2 加载方案

采用手动液压千斤顶作为加载设备，反力由钢结构门架提供，在试件的两端采用特别加工的刚性加载头将外荷载施加给试件。在受力时，刚性加载头自身变形忽略不计以保证荷载均匀地传给试件的梁柱节点。千斤顶与加载头之间放置球铰支座，保证荷载始终与试件的竖向对角线保持重合。

框格单元的配筋见图3，测点布置见图4[6]。

3.试验结果

3.1 FD系列试件

对FD系列试件的裂缝记录和荷载位移曲线（图5）分析可知，FD系列试件出现的裂缝主要集中于四个角区，破坏时出现塑性铰。框格单元三种试件破坏过程是经历了弹性，弹塑性和破坏三占个阶段。弹性阶段极限荷载值的35%，极限荷载偏低，仅为2.5～9.2KN；极限位移大，在15.5～20.5mm之间，属于延性破坏。承载力高的试件其初始刚度也大。荷载随着梁柱截面高度的增加而增大。

3.2 IFD系列试件

对IFD系列试件的裂缝记录可知：IFD-1的抗裂性较好，破坏面裂缝分布广泛，试件破坏时为2～3条主裂缝，且在受力对角线两侧，整个砌块表面裂缝分布广，“斜压杆”特征明显；IFD-2 系列的试件破坏特征是砌块上只有若干2～3条主裂缝，分布在在受力方向的两侧，没有分布均匀的微细裂缝，且节点的塑性铰转动不充分，整个砌块表面裂缝分布少；IFD-3系列的试件为不规则的若干条粗缝隙，裂缝由某个破坏点蔓延，且不对称，没有“斜压杆”形状特征。角区局部压坏。构件变形很大，砌块的作用没有得以充分发挥，硅酸盐属于脆性材料，在承载力很低时就已经压溃，肋梁柱的塑性铰转动不明显。

对IFD系列试件荷载位移曲线图（图6～图8）可以看出，从弹性阶段进入弹塑性阶段的曲线斜率变化不大，弹性阶段特征明显；在载达到极限荷载的47～71%左右之前，荷载位移曲线基本为线性变化，此段过程为弹性工作阶段；当荷载继续增大时，填充块中首先开始出现裂缝，荷载位移曲线上曲线斜率变小，填充块中裂缝不断变密，变形明显加快，继续加载至极限荷载，此段过程为弹塑性工作阶段；各试件基本上在超过2～3倍的极限荷载对应的位移后，承载力降低至极限承载力的85%以下，此段过程为试件的破坏阶段。IFD-3系列试件没有明显的屈服点，并且超过极限荷载后，与IFD-1、IFD-2系列试件相比，随着变形的增大，荷载下降相对较快，这主要是因为填充材料的脆性及不均匀性引起的。

4.试验结果分析

4.1 承载能力分析

由试验数据绘曲线，可以得到各阶段荷载、位移汇总表，见表3。

由表3可看出，同一种截面高度的构件，填加砌块后，开裂荷载明显高于空框格，提高的倍数Kc约为5.8-38倍。同样可得极限荷载提高倍数Ku约为3.8-11.4倍。由此得空框格在填加材料后开裂能力和承载能力明显提高。这主要是因为砌块对框格起到支撑的作用，可以使框格的承载能力明显增大。

4.2 变形能力分析

通过荷载位移曲线（图6～图8）的曲线总结，可以得到各试件的变形能力分析如下。

（1）IFD -1系列

由图6可见，各试件的荷载位移曲线在初始阶段基本呈直线，并且同一组试件的初始段试验点集中在同一条直线附近，之后进入了非线性阶段，位移增大，刚度下降，同一组试件的极限荷载随着框梁柱的截面尺寸增加而增大。截面尺寸为40mm的极限荷载最低，而截面尺寸为70mm的极限荷载最高。在达到弹性荷载后试件出现了第一条裂缝，加荷曲线出现了弯折，刚度下降，但仍然可以继续加载，且位移幅值很大。在位移为1.8mm左右时达到了极限荷载。

（2）IFD -2系列

由图7可见，试件的荷载位移曲线在初始阶段基本呈直线，并且同一组试件的初始段试验点集中在同一条直线附近，之后进入了非线性阶段，位移增大，刚度下降，同一组试件的极限荷载随着框梁柱的截面尺寸增加而增大，在位移为5.5～7.5mm范围时达到了极限荷载。

（3）IFD -3系列

由图8可见，试件的荷载位移曲线在初始阶段基本呈直线，并且同一组试件的初始段试验点集中在同一条直线附近，之后进入了非线性阶段，位移增大，刚度下降，同一组试件的极限荷载随着框梁柱的截面尺寸增加而增大，在位移为2～2.5mm范围时达到了极限荷载。

由表3可看出，同一种截面高度的构件，填加砌块后，开裂刚度明显高于空框格，提高的倍数Kf约为4.4-26.9倍。由此得空框格在填加材料后刚度明显提高；另外，填加砌块后，试件的极限位移减小，缩小倍数Du约为0.06～0.39。

5.结语

在对无填充砌块的框格和有填充砌块的框格进行了4组14个试件的对角线加载试验完毕后，总结如下：

①试件的破坏分为三个阶段：（1）弹性阶段，（2）弹塑性阶段，（3）破坏阶段。

② 各试件的破坏特征总结如下：

（1）弹性阶段：框格和砌块的协同工作良好，荷载位移曲线为直线段；

（2）弹塑性阶段：节点肋梁处有微裂缝，中间砌块开裂，斜压杆形成；

（3）破坏阶段：框格梁柱出现了塑性铰，斜压杆出现了横向裂缝并蔓延至两侧。节点出现扇形塑性区。