框支密肋复合墙体拟静力试验研究

贾穗子，曹万林，袁 泉

(1.北京工业大学建筑工程学院，100124北京;2.北京交通大学土木建筑工程学院，100044北京)

近年来，随着人们对生活环境和工作条件要求的提高，现代建筑向着多功能、多用途方向发展.为满足建筑使用功能的需要，底部框架-抗震墙砌体结构、框支剪力墙结构得到较广泛应用.然而，历次地震震害显示，底层框架-抗震墙砌体房屋发生严重破坏，承重墙体材料在已有的大开间住宅中没有得到充分的利用，关键部位受力不合理，刚度分布不灵活［1-3］.框支剪力墙结构虽然突破了框支砌体结构房屋对高度和层数的限制，且抗震性能优于框支砌体结构房屋，适用于底部大空间的高层建筑，但其造价高、自重大、施工较复杂，且底部易成为薄弱层，产生变形集中［4-6］.

本文将新型抗震结构体系密肋复合墙结构引入底部大空间，形成框支密肋复合墙结构.由于密肋复合墙体具有可靠的整体性、良好的冗余性、较好的耗能性、灵活的刚度可调性［7-9］等特点，因此有利于框支密肋复合墙结构薄弱层承载力与刚度的合理匹配.

本文通过对两榀恒定竖向荷载作用下的框支-密肋复合墙体试件拟静力试验，分析墙体破坏过程、传力机理、滞回特性等抗震性能，并对结构总体刚度退化特征、残余变形率进行分析，得到结构在受力性能、破坏形态和抗倒塌能力方面的特点，为工程设计提供参考依据.

1 试验概况

1.1 密肋复合墙结构

密肋复合墙结构(图1(a))采用独特嵌套式结构构造形式，由预制的密肋复合墙板、现浇的隐形外框和楼板组成［10-11］，其中，密肋复合墙板(图1(b))是由截面及配筋率较小的钢筋混凝土肋梁和肋柱构成框格，内嵌以轻质保温型填充砌块预制而成;隐形框架是由钢筋混凝土边框柱、连接柱和暗梁浇筑而成.在受力过程中，密肋复合墙板一方面受到隐形外框的约束作用，另一方面又对隐形框架施加反作用，两者相互作用，充分发挥各自性能，形成密肋复合墙结构主要承力构件—密肋复合墙体.

图1 密肋复合墙结构

1.2 试件制作及加载情况

两榀试件的制作基于前期进行的不等跨框支密肋复合墙结构模型(MLB-1和 MLB-2)［10］，并参考“二托四”框剪—密肋复合墙结构配筋尺寸图［12］，1/2比例缩尺，以 MLB-3和 MLB-4编号.其中，MLB-3选取原型结构中二层和三层横向单跨底部框剪-密肋复合墙体.MLB-4上部密肋复合墙板中由肋梁、肋柱组成的正交框格变为斜交框格，并内嵌相应形状的轻质砌块，试件模型尺寸配筋见图2.

采用荷载-位移控制的混合加载制度，首先竖向千斤顶施加200 kN恒定竖向荷载，之后施加水平反复荷载，每级循环一次且递增30 kN，试件屈服后，采用位移控制，每级循环一次，位移增加5 mm.

图2 试件尺寸配筋图(mm)

1.3 试验过程

1.3.1 MLB-3

水平荷载达到255 kN时，剪力墙底部出现裂缝，上部密肋墙在靠近连接柱的两侧均产生微量斜向裂缝;继续加载到300 kN时，砌块裂缝明显变宽，框支梁和框支柱也出现多条裂缝;加载到550 kN时，砌块与肋格、密肋墙板与框支梁交界处出现少量分离现象，砌块表面脱落点较多，试件屈服;按位移控制加载，位移达到45 mm时，砌块表皮不断剥落，剪力墙向外鼓出;位移达到55 mm时，砌块碎裂严重，框支柱钢筋屈服，上下层坐浆滑移，试件破坏.MLB-3构件在各阶段破坏情况见图3.

图3 MLB－3构件裂缝

1.3.2 MLB-4

在弹性阶段，水平荷载小于250 kN时，剪力墙和框支柱底部出现微裂缝.当水平荷载增加到360 kN时，墙体中部砌块产生斜裂缝，试件进入弹塑性阶段;在660 kN时，框支柱底部水平贯通裂缝宽度达到5 mm，密肋复合墙与框支梁间坐浆开裂，框支梁柱节点及框支梁与抗震墙交界处裂缝加大，试件屈服;此后按位移控制加载，当位移达到48 mm时，框支柱柱脚出现斜裂缝，砌块出现大量裂缝，并零星剥落;继续增加位移至54 mm时，框支柱底部出现较多交叉斜裂缝，水平贯穿裂缝宽度达到5 mm，柱脚混凝土局部压溃.MLB-4构件在各阶段破坏情况见图4.

图4 MLB－4构件裂缝

在两榀试件破坏过程中，MLB-3二层密肋复合墙体比 MLB-4破坏严重，而底层框剪结构比MLB-4裂缝及混凝土剥落现象少.密肋复合墙体在整个受力过程中按照3道抗震防线，即填充砌块-密肋框格-隐形框架的破坏模式依次耗能.进一步说明试件的设计符合耗能减震的要求.

2 试验结果及分析

2.1 传力机理

两榀试件密肋复合墙板中砌块和钢筋混凝土用量，框格横截面及配筋率基本相同，但MLB-4的开裂荷载和屈服荷载比MLB-3分别增加45%、22%，主要因为MLB-4中斜交的肋格不仅约束砌块，与砌块共同受力，还起到类似桁架的作用，斜向框格受力变形形成明显斜压杆效应，主应力沿斜交肋格方向分别向两侧边框柱和框支梁传递.采用ANSYS建立二维平面单元，分析墙体弹塑性阶段钢筋应力云图(图5)，由图可见，主应力沿交叉肋格方向向下传力清晰可见，进一步证明斜交肋格的构造形式，改变传力途径，使得下层结构受力增大，上下层刚度合理分配.

图5 钢筋应力云图

2.2 滞回曲线

由层间滞回曲线图6可知:MLB-4斜交肋格的构造形式使得墙体上下层刚度比更合理，层间位移变形更充分.此外，由于抗震墙的设置，底部抗侧刚度变大，两片墙体二层层间位移均比一层大，变形集中于第二层，第二层为薄弱层.

2.3 钢筋应变分析

2.3.1 框支柱钢筋应变

荷载在正负交替加载过程中，钢筋应变始终为正(图7(a))，说明钢筋受拉应变明显大于受压应变，这是因为混凝土开裂后受拉区纵筋应变充分发 挥，而受压区纵筋受到混凝土压应变限制应力较小.

图6 试件的层间滞回曲线

2.3.2 抗震墙水平分布钢筋应变

由于MLB-4上部密肋复合墙体中斜交肋格的构造形式，可使主应力沿斜向肋格交叉方向充分向抗震墙传力.由图7(b)可看出，在相同加载机制下，MLB-4钢筋应变比MLB-3大，且钢筋的应变趋势仍以受拉应变为主.

图7 构件钢筋应变图

2.4 残余变形率分析

结构残余变形反映了结构的损伤程度和变形修复能力［13］.本文采用平均残余变形率δi，探讨框支密肋复合墙结构可修复性能，见表1.从表1可得:试件δi值逐渐增加;在试件达到峰值荷载时，其残余变形增长速率缓慢;当试件最终破坏时，其残余变形率仍然没有达到0.5.说明底部框剪-密肋复合墙结构具有较强的变形恢复能力，最终破坏后的残余变形较小，结构具有良好的可修复性，且MLB-4的后期修复功能更强.

表1 试件残余变形率

2.5 框支密肋复合墙结构抗震设计建议

2.5.1 房屋适用高度和高宽比

框支密肋复合墙结构除应参照GB50010—2011《建筑抗震设计规范》要求，结合《密肋复合板结构技术规程》中多层和高层密肋复合墙板适用层数、高度和高宽比的设计，建议底部设置剪力墙的框支-密肋复合墙结构，适用层数、高宽比限值见表2.

表2 框支密肋复合墙结构适用层数及房屋高宽比限值

2.5.2 地震作用

1)高度不超过40 m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的框支密肋复合墙结构，可采用底部剪力法进行简化计算.对于不适合采用底部剪力法计算的结构可采用振型分解反应谱法进行分析.

2)密肋复合墙体砌块开裂后，砌块内部裂缝界面摩擦过程会形成较高的阻尼，框支密肋复合墙结构体系在弹性动力分析时的阻尼比仍取0.05.

3 结论

1)底部框剪-密肋复合墙体的破坏形式以上部密肋复合墙体和底部抗震墙破坏为主.底层框支柱和抗震墙钢筋应变在低周反复荷载作用下主要为受拉应变.密肋复合墙体按照填充砌块-密肋框格-隐形框架的破坏模式实现分级能量释放，形成结构的多道抗震防线，结构具备较高承载能力和抗倒塌能力.

2)下部抗震墙的存在，对框支柱起到支撑和约束作用，弥补底部大空间所造成的承载力和刚度降低，避免因底层框支柱变形过大而发生破坏.

3)上部密肋复合墙板采用斜交肋格的构造形式，起到类似桁架的作用，改变传力途径，上下层层间位移变形发展更充分且刚度分配更合理.

4)框支密肋复合墙体具有较强变形恢复能力，在最终破坏后的残余变形较小，结构具有良好的可修复性，斜交肋格构造形式使得结构后期修复功能更强.

［1］梁兴文，王庆霖，梁羽风.底部框架抗震墙砖房1/2比例模型拟动力试验研究［J］.土木工程学报，1999，32(2):14-21.

［2］ LI X J，ZHOU Z H.，YU H Y，et al.Strong motion observations and recordings from the greatWenchuan Earthquake［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，7(3):235-246.

［3］刘锡军，邹银生.底部两层混凝土框剪八层砖房模型抗震试验研究［J］.土木工程学报，2004，37(2):19-22.

［4］叶列平，陆新征.汶川地震建筑震害分析［J］.建筑结构学报，2008，29(4):1-9.

［5］ BARROSO L R， BRENEMAN S E，SMITH H A.Performance evaluation of controlled steel frames under multi-levelseismic loads［J］.Journal of Structure Engineering，2002，128(11):1368-1378.

［6］LEE H S，KO D W.Shaking table tests of a high-rise RC bearing-wall structure with bottom piloti stories［J］.Journal of Asian Architecture and Building Engineering，2002，1(1):47-54.

［7］LIU P，YAO Q F.Dynamic reliability of structures:the example of multi-ribbed composite walls［J］.Structural Engineering and Mechanics，2010，36(4):463-479.

［8］JIA S Z，CAO W L ，YUAN Q.An experimental study of frame-supported multi-ribbed composite walls ［J］.Advances in Structural Engineering，2015，18(4):497-511.

［9］贾穗子，袁泉.近断层地震动作用下密肋复合墙结构地震反应分析［J］.哈尔滨工程大学学报，2012，33(11):1366-1370.

［10］袁泉，贾穗子.框支密肋复合板低周反复加载试验［J］.土木工程学报，2014，47(8):20-31.

［11］贾穗子，袁泉.密肋复合墙结构滞回退化参数及耗能减震性能［J］.华中科技大学学报，2013，41(7):32-35.

［12］袁泉，何玉阳.框支密肋复合墙结构模型振动台试验研究［J］.振动与冲击，2014，33(22):72-77.

［13］JGJ 101—1996建筑抗震试验方法规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，1997.